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
N1​ = 25N2​ = 48

Un moteur de 1,1 kW tournant à 1500 rpm entraîne un pignon de 25 dents, qui engrène avec une roue de 48 dents. L’engrenage a un rendement de 95 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 48η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 16B = 20C = 15D = 48

Un moteur de 15 kW à 1440 tr/min entraîne la roue A (16 dents), qui engrène avec la roue B (20 dents). La roue C (15 dents), sur le même arbre que B, entraîne la roue D (48 dents) sur l’arbre de sortie. Chaque engrènement a un rendement de 97 %. Trouvez le couple de sortie Tout.

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 20C = 15D = 48ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 400 N·mABC1,5 m2,5 m

Un arbre plein étagé en acier est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 60 mm et une longueur de 1,5 m ; le tronçon BC a un diamètre de 50 mm et une longueur de 2,5 m. Un couple de 400 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

T = 400 N·md1 = 60 mm, L1 = 1,5 md2 = 50 mm, L2 = 2,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 50 mm, di​ = 40 mm

Un arbre creux transmet 30 kW à 500 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 30 kWN = 500 rpmdo = 50 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −50σy​ = −50τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = −50 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θp entre l’axe x et la direction de la plus grande contrainte principale, compris entre −90° et 90°.

σx = −50 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface supérieure de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 60 mm supporte un moment fléchissant de 1000 N·m ainsi qu’un couple de 1500 N·m. À la surface supérieure, où la contrainte de flexion est une traction maximale, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 60 mmM = 1000 N·mT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 20 mmCuivre2 mP = 40 kN

Trouvez l’allongement δ de la barre en cuivre sous l’effort axial.

P = 40 kNd = 20 mmL = 2 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmLaiton1,5 mØ 16 mmAluminium1,5 mP = 25 kN

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez l’allongement total δ.

P = 25 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 1,5 m, laiton (E = 100 GPa)tronçon 2 : Ø16 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 m40 × 50 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 6 md = 40 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré aux deux extrémités. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 8 kN/mc = 280 N·s/mm = 40 kg

Une masse de 40 kg est portée par un ressort de raideur 8 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 280 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 40 kgk = 8 kN/mc = 280 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 100k2​ = 100k3​ = 30m = 20 kg

Une masse de 20 kg est suspendue au ressort k₃ = 30 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 100 kN/m et k₂ = 100 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 7,003 N·m

Trains d’engrenages : des roues en prise ont la même vitesse au niveau des dents, donc n₁·N₁ = n₂·N₂ : la roue qui a le moins de dents tourne le plus vite. Des roues montées sur un même arbre tournent à la même vitesse. La puissance est transmise (aux pertes près), donc le couple augmente quand la vitesse diminue : T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, et P = T·ω avec ω = 2π·n/60.

Couple moteur

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/157,1 = 7,003 N·m

Réponse

T1 = 7,003 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Tout = 374,4 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Vitesse de sortie

nout = 1440·(16/20)·(15/48) = 360 rpm
ωout = 2π·360/60 = 37,7 rad/s

Puissance et couple de sortie

Pout = 15000·0,97² = 14114 W
Tout = Pout/ωout = 14114/37,7 = 374,4 N·m

Réponse

Tout = 374,4 N·m
3.Torsion des arbres

Réponse: φC = 1,505 °

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·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torsion de chaque tronçon

T = 400 N·m = 400000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 400000·1500/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,005895 rad
φBC = 400000·2500/(80000·613592) = 0,02037 rad

Torsion totale

φC = 0,005895 + 0,02037 = 0,02627 rad = 1,505°

Réponse

φC = 1,505°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 39,54 MPa

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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 30000/52,36 = 573 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(50⁴ − 40⁴)/32 = 362265 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 572958·25/362265 = 39,54 MPa

Réponse

τmax = 39,54 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 45 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le point x se trouve à un angle 2θp de l’axe σ ; le quadrant découle des signes de σₓ − σᵧ et de τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, −50 − −50) = 90°

Angle sur l’élément

θp = 45°

Réponse

θp = 45°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 66,09 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.

Contraintes à la surface

σ = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·60³) = 47,16 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·60³) = 35,37 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = 23,58 MPa
R = √(23,58² + 35,37²) = 42,51 MPa
σ1 = C + R = 66,09 MPa
σ2 = C − R = −18,93 MPa

Réponse

σ1 = 66,09 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 2,176 mm

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 = 40·1000/314,2 = 127,3 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for cuivre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 127,3/117000 = 0,001088 = 1088 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,001088·2000 mm = 2,176 mm

Réponse

δ = 2,176 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 3,054 mm

Éléments en charge axiale : chaque tronçon prismatique vérifie δ = PL/(AE). Pour des tronçons en série, les allongements s’additionnent.

Même effort dans les deux tronçons

L’extrémité libre porte P, donc chaque section de la barre transmet le même effort normal P. Seules les aires et les matériaux changent.

A1 = π·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 25,98 MPa
σ2 = 124,3 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 25,98·1500/100000 = 0,3898 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 124,3·1500/70000 = 2,664 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,054 mm

Réponse

δ = 3,054 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 7,369 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·5000 = 5000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·266667/5000² = 7369 N = 7,369 kN

Réponse

Pcr = 7,369 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 7,676 MPa

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

Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Réponse

σcr = 7,676 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,2475

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·√(8000·40) = 1131 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 280/1131 = 0,2475

Réponse

ζ = 0,2475

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

12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 5,748 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 = 100 + 100 = 200 kN/m
keq = 200·30/(200 + 30) = 26,09 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(26087/20) = 36,12 rad/s
fn = 36,12/(2π) = 5,748 Hz

Réponse

fn = 5,748 Hz

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