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​ = 12N2​ = 48

Un moteur de 4 kW tournant à 2900 rpm entraîne un pignon de 12 dents, qui engrène avec une roue de 48 dents. L’engrenage a un rendement de 98 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 48η = 98%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm2880 rpmC = 500 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 120 mm et une poulie de 400 mm dont les centres sont distants de 500 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 120 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsion des arbresMoyen
T = 500 N·md = 40 mmL = 0,8 mφ = ?

Un arbre plein en laiton est encastré dans le mur et tordu par un couple T à son extrémité libre. Trouvez l’angle de torsion φ de l’extrémité libre, en degrés.

T = 500 N·md = 40 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 24 mm

Un arbre creux transmet 10 kW à 1800 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 10 kWN = 1800 rpmdo = 40 mmdi = 24 mm
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −70σy​ = −50τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −70 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 = −70 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 100σy​ = 100τxy​ = −20MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 100 MPa, σᵧ = 100 MPa et τₓᵧ = −20 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 45° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = 100 MPaσy = 100 MPaτxy = −20 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 12 mmAluminium3 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 12 mmL = 3 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmCuivre1 mØ 16 mmCuivre1,5 mP = 55 kN

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

P = 55 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 1 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø16 mm, 1,5 m, cuivre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 md = 20 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 = 2 mE = 200 GPa (acier)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 120 kNL = 2 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Il doit porter 120 kN avec un coefficient de sécurité de 2,5 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 120 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 50 kN/mζ = 0,35m = 5 kg

Une masse de 5 kg sur un ressort de raideur 50 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,35. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 5 kgk = 50 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 60k2​ = 100m = 100 kg

Une masse de 100 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 60 kN/m et celui du bas k₂ = 100 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 100 kgk1 = 60 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 13,17 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 = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Réponse

T1 = 13,17 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 147,5 °

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(0,28) = 16,26°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·16,26 = 147,5°

Réponse

θ = 147,5°
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 2,338 °

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 quadratique polaire

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 500·1000·800/(39000·251327) = 0,04081 rad
φ = 0,04081·180/π = 2,338°

Réponse

φ = 2,338°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 4,85 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 10000/188,5 = 53,05 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 53052·20/218755 = 4,85 MPa

Réponse

τmax = 4,85 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 54,22 °

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, −70 − −50) = 108,4°

Angle sur l’élément

θp = 54,22°

Réponse

θp = 54,22°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 80 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

σθ = 100 + 0·0 + −20·1 = 80 MPa

Réponse

σθ = 80 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 9474 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 75·1000/113,1 = 663,1 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 663,1/70000 = 0,009474 = 9474 µε

Réponse

ε = 9474 µε
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 3,996 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 = 57,17 MPa
σ2 = 273,5 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 57,17·1000/117000 = 0,4886 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 273,5·1500/117000 = 3,507 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,996 mm

Réponse

δ = 3,996 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 7,91 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

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

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1400² = 7910 N = 7,91 kN

Réponse

Pcr = 7,91 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 83,89 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 = 2,5·120000 = 300000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 83,89 mm

Réponse

d = 83,89 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 190,7, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 14,91 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.

Fréquence propre non amortie

ωn = √(50000/5) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,35²) = 14,91 Hz

Réponse

fd = 14,91 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 37,5 kN/m

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 = 1/60 + 1/100 → keq = 60·100/(60 + 100) = 37,5 kN/m

Réponse

keq = 37,5 kN/m

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