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​ = 20N2​ = 48

Un moteur de 7,5 kW tournant à 2900 rpm entraîne un pignon de 20 dents, qui engrène avec une roue de 48 dents. L’engrenage a un rendement de 96 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 7,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 48η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 150 mmd2​ = 250 mm960 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 150 mm tournant à 960 tr/min à une poulie de 250 mm ; les centres sont distants de 600 mm. Le coefficient de frottement est 0,35 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 1500 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 150 mmn1 = 960 rpmd2 = 250 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
d = ?T = 100 N·mL = 0,8 m

Un arbre plein en laiton de 0,8 m de long transmet un couple de 100 N·m. L’angle de torsion entre ses extrémités ne doit pas dépasser 3°. Trouvez le plus petit diamètre d qui respecte cette limite.

T = 100 N·mL = 0,8 mG = 39 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 30 kW à 750 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 40 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −40σy​ = 100MPaτxy​ = ?

En un point, σₓ = −40 MPa et σᵧ = 100 MPa. Jusqu’à quelle valeur la contrainte de cisaillement τxy (en valeur absolue) peut-elle monter avant que la plus grande contrainte principale atteigne 140 MPa ?

σx = −40 MPaσy = 100 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 30 mm supporte un effort de traction axial de 130 kN ainsi qu’un couple de 200 N·m. À la surface de l’arbre, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 30 mmF = 130 kNT = 200 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 30 mmAluminium2,5 mP = 25 kN

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

P = 25 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmAluminium1 mØ 12 mmCuivre1,5 mP = 50 kN

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez la contrainte normale maximale σmax dans la barre.

P = 50 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 1,5 m, cuivre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 6 m25 × 50 mmsection

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

L = 6 mE = 200 GPa (acier)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 45 kNL = 3 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Il doit porter 45 kN avec un coefficient de sécurité de 2,5 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 45 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 5 kN/mc = 180 N·s/mm = 25 kg

Une masse de 25 kg est portée par un ressort de raideur 5 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 180 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 25 kgk = 5 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 25k2​ = 5m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 25 kN/m et celui du bas k₂ = 5 kN/m. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 25 kgk1 = 25 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 56,9 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/303,7 = 24,7 N·m

Couple de sortie

T2 = 24,7·48/20·0,96 = 56,9 N·m

Réponse

T2 = 56,9 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 7,317 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.

Angle d’enroulement

θ = 2,975 rad

Tension du brin mou

eμθ = e1,041 = 2,832, T₂ = 1500/2,832 = 529,6 N

Puissance

P = (1500 − 529,6)·7,54 = 7,317 kW

Réponse

P = 7,317 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: d = 25,13 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.

Moment polaire requis

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 100000·800/(39000·0,05236) = 39177 mm⁴

Diamètre

d = (32J/π)1/4 = 25,13 mm

Réponse

d = 25,13 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

4.Torsion des arbres

Réponse: d = 36,5 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·40)) = 36,5 mm

Réponse

d = 36,5 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τxy = 84,85 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.

Rayon requis

C = (−40 + 100)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 140 − 30 = 110 MPa
στxyCσ1​σ2​

Contrainte de cisaillement

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(110² − 70²) = 84,85 MPa

Réponse

τxy = 84,85 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 191,4 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 = F/A = 130000/(π·30²/4) = 130000/706,9 = 183,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·200000/(π·30³) = 37,73 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = 91,96 MPa
R = √(91,96² + 37,73²) = 99,39 MPa
σ1 = C + R = 191,4 MPa
σ2 = C − R = −7,438 MPa

Réponse

σ1 = 191,4 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 1,263 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 25·1000/706,9 = 35,37 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 35,37/70000 = 0,0005053 = 505,3 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,0005053·2500 mm = 1,263 mm

Réponse

δ = 1,263 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 442,1 MPa

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 51,97 MPa
σ2 = 442,1 MPa

Contrainte maximale

Le tronçon le plus fin a la plus petite aire, donc il porte la plus grande contrainte.

σmax = 442,1 MPa

Réponse

σmax = 442,1 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 14,28 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/3000² = 14279 N = 14,28 kN

Réponse

Pcr = 14,28 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 80,41 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 = 2,5·45000 = 112500 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·112500·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 80,41 mm

Réponse

d = 80,41 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 298,5, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,2546

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·√(5000·25) = 707,1 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 180/707,1 = 0,2546

Réponse

ζ = 0,2546

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

12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 2,055 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

Des ressorts en série subissent la même force et leurs allongements s’additionnent ; ils se combinent donc par leurs inverses : 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/5 → keq = 25·5/(25 + 5) = 4,167 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(4167/25) = 12,91 rad/s
fn = 12,91/(2π) = 2,055 Hz

Réponse

fn = 2,055 Hz

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