Conception de machines : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Engrenages et trains d’engrenages

Roues en prise
n1·N1 = n2·N2
Couple
T2 = T1·(N2/N1)·η
Puissance
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Train composé
rapport total = produit des rapports de chaque étage

Torsion des arbres

Contrainte de cisaillement
τ = T·r/J
Arbre plein
J = πd⁴/32
Arbre creux
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angle de torsion
φ = TL/(GJ)
Puissance
P = T·ω = 2πnT/60

Méthode

  1. Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
  2. Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
  3. Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
  4. Si la puissance est donnée, trouvez d’abord le couple avec P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Centre
C = (σx + σy)/2
Rayon
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Contraintes principales
σ1,2 = C ± R
Direction principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Facette inclinée
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Méthode

  1. Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
  2. Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
  4. Les angles sur le cercle sont le double des angles sur l’élément : tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Contrainte et déformation axiales

Contrainte normale
σ = F/A
Déformation
ε = ΔL/L
Loi de Hooke
σ = E·ε
Allongement
ΔL = FL/(EA)
Déformation thermique
εT = α·ΔT

Flambement des poteaux

Charge critique d’Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficient de longueur de flambement
K = 1 articulé–articulé, 0,5 encastré–encastré, 0,7 encastré–articulé, 2 encastré–libre
Contrainte critique
σcr = Pcr/A
Élancement
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrations mécaniques

Fréquence propre
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
À partir de la flèche statique
ωn = √(g/δst)
Amortissement critique
cc = 2√(km) = 2mωn
Taux d’amortissement
ζ = c/cc
Fréquence amortie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Décrément logarithmique
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Ressorts en parallèle
k = k1 + k2
Ressorts en série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercices

1.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm720 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 300 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 80 mm tournant à 720 tr/min. La tension est de 1000 N sur le brin tendu et de 300 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 720 rpmT1 = 1000 NT2 = 300 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 1200 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 125 mm et une poulie de 300 mm dont les centres sont distants de 1200 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 125 mmd2 = 300 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 25 mmd2​ = 20 mmT = 100 N·mABC0,5 m1,5 m

Un arbre plein étagé en laiton est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 25 mm et une longueur de 0,5 m ; le tronçon BC a un diamètre de 20 mm et une longueur de 1,5 m. Un couple de 100 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

T = 100 N·md1 = 25 mm, L1 = 0,5 md2 = 20 mm, L2 = 1,5 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 100 kW à 300 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 50 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 100 kWN = 300 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −10σy​ = 70τxy​ = −20MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −10 MPa, σᵧ = 70 MPa et τₓᵧ = −20 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = −10 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −70σy​ = −60τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −70 MPa, σᵧ = −60 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 50° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = −60 MPaτxy = 30 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 20 mmCuivre2 mP = 50 kN

Trouvez la déformation axiale ε dans la barre en cuivre, en microdéformations (µε = 10⁻⁶).

P = 50 kNd = 20 mmL = 2 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
30 kN12300 mm500 mmØ20Ø40σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 20 mm, longueur 300 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en aluminium (diamètre 40 mm, longueur 500 mm, E = 70 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 30 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPatronçon 2: aluminium, Ø40 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 m20 × 50 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 5 mE = 200 GPa (acier)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 145 kNL = 6 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Il doit porter 145 kN avec un coefficient de sécurité de 2 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 145 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 12 kN/mc = 280 N·s/mm = 10 kg

Une masse de 10 kg est portée par un ressort de raideur 12 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 280 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 10 kgk = 12 kN/mc = 280 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 20k2​ = 30k3​ = 20m = 100 kg

Une masse de 100 kg est suspendue au ressort k₃ = 20 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 20 kN/m et k₂ = 30 kN/m ; la barre reste horizontale. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts et de la barre. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 2,111 kW

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Vitesse de la courroie

v = 3,016 m/s

Puissance

P = (1000 − 300)·3,016 = 2111 W = 2,111 kW

Réponse

P = 2,111 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 171,6 °

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Angle de la courroie

asin(0,07292) = 4,182°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·4,182 = 171,6°

Réponse

θ = 171,6°
3.Torsion des arbres

Réponse: φC = 15,94 °

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Moments polaires

J1 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Torsion de chaque tronçon

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 100000·500/(39000·38350) = 0,03343 rad
φBC = 100000·1500/(39000·15708) = 0,2449 rad

Torsion totale

φC = 0,03343 + 0,2449 = 0,2783 rad = 15,94°

Réponse

φC = 15,94°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 68,7 mm

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 100000/31,42 = 3183 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·3,183 × 10⁶/(π·50)) = 68,7 mm

Réponse

d = 68,7 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 44,72 MPa

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

στxyCτmax​

Rayon du cercle de Mohr

τmax = R = √(((−10 − 70)/2)² + −20²) = 44,72 MPa

Réponse

τmax = 44,72 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = −0,2854 MPa

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

Formule de changement de repère

τθ = −−5·0,9848 + 30·−0,1736 = −0,2854 MPa

Réponse

τθ = −0,2854 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 1360 µε

Loi de Hooke : dans le domaine élastique, σ = E·ε. Avec σ = P/A et ε = δ/L, on obtient δ = PL/(AE).

Contrainte

A = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 50·1000/314,2 = 159,2 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for cuivre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 159,2/117000 = 0,00136 = 1360 µε

Réponse

ε = 1360 µε
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 10,9 MPa

Deux matériaux : en série (l’un après l’autre), chaque tronçon supporte le même effort et les allongements s’additionnent : δ = P·Σ L/(E·A). En parallèle (côte à côte entre des plaques rigides), les deux parties se raccourcissent de la même quantité, donc leurs déformations sont égales : la partie la plus rigide prend la plus grande part, Pi = P·EiAi/ΣEA, et σi = Ei·ε. Une barre tenue entre deux murs rigides avec une charge à la jonction est hyperstatique : les deux tronçons se partagent la charge proportionnellement à leur rigidité k = EA/L.

Rigidités

k₁ = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 70000·1257/500 = 175929 N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 30000·175929/385369 = 13696 N

Contrainte

σ2 = 13696/1257 = 10,9 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 10,9 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 5,371 kN

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Plus petit moment quadratique

Un rectangle flambe autour de son axe faible, avec la plus petite dimension au cube.

Imin = h·b³/12 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·33333/3500² = 5371 N = 5,371 kN

Réponse

Pcr = 5,371 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 132,5 mm

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Charge critique nécessaire

Pcr = n·P = 2·145000 = 290000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·290000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 132,5 mm

Réponse

d = 132,5 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 181,2, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,4041

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Amortissement critique

cc = 2·√(k·m) = 2·√(12000·10) = 692,8 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 280/692,8 = 0,4041

Réponse

ζ = 0,4041

ζ < 1 : le système est sous-amorti et oscille en s’amortissant.

12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 1,902 Hz

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Raideur équivalente

Seuls k1 et k2 sont en parallèle. Cette paire est en série avec k3 ; combinez-les donc par leurs inverses.

k12 = 20 + 30 = 50 kN/m
keq = 50·20/(50 + 20) = 14,29 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(14286/100) = 11,95 rad/s
fn = 11,95/(2π) = 1,902 Hz

Réponse

fn = 1,902 Hz

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