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​ = 200 mm720 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 300 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 80 mm tournant à 720 tr/min. La tension est de 1500 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 = 1500 NT2 = 300 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 30B = 72C = 18D = 24

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (30 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 960 rpm, entraîne la roue B (72 dents). La roue C (18 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (24 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 960 rpmA = 30B = 72C = 18D = 24
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
do​ = ?T = 750 N·m

Un arbre creux doit transmettre un couple de 750 N·m. Son diamètre intérieur doit valoir 0,6 fois son diamètre extérieur, et la contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser 75 MPa. Trouvez le plus petit diamètre extérieur do.

T = 750 N·mdi/do = 0,6τallow = 75 MPa
do = mm
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 30 mm

Un arbre creux transmet 10 kW à 750 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 10 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −30σy​ = −10τxy​ = 60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −30 MPa, σᵧ = −10 MPa et τₓᵧ = 60 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = −30 MPaσy = −10 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 130σy​ = 20τxy​ = 60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 130 MPa, σᵧ = 20 MPa et τₓᵧ = 60 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 35° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = 130 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
200 kNØ30100 GPaØ120/50500 mmδ = ?

Une tige en acier (diamètre 30 mm, E = 200 GPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en laiton (diamètre extérieur 120 mm, diamètre intérieur 50 mm, E = 100 GPa). Les deux mesurent 500 mm de long et sont comprimés ensemble entre des plaques rigides par 200 kN. Trouvez le raccourcissement δ.

P = 200 kNbarre: Ø30 mm, E = 200 GPatube: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmCuivre1 mØ 12 mmLaiton2 mP = 105 kN

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

P = 105 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 1 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 2 m, laiton (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 4 md = 60 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 = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 2 md = 60 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 2 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 2 kN/mζ = 0,6m = 15 kg

Une masse de 15 kg sur un ressort de raideur 2 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,6. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 15 kgk = 2 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 25k2​ = 60m = 100 kg

Une masse de 100 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 25 kN/m et k₂ = 60 kN/m. La masse reste horizontale. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,619 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 = (1500 − 300)·3,016 = 3619 W = 3,619 kW

Réponse

P = 3,619 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 300 rpm

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.

Premier étage

nB = 960·30/72 = 400 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 400·18/24 = 300 rpm

Réponse

nout = 300 rpm

rapport total = 3,2 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: do = 38,82 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.

Diamètre extérieur à partir de la contrainte admissible

T = 750 N·m = 750000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·750000/(π·75·0,8704)) = 38,82 mm
di = 0,6·38,82 = 23,29 mm

Réponse

do = 38,82 mm

Un arbre plein nécessiterait d = 37,07 mm ; l’arbre creux est un peu plus gros mais beaucoup plus léger.

4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 14,82 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(40⁴ − 30⁴)/32 = 171806 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 127324·20/171806 = 14,82 MPa

Réponse

τmax = 14,82 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 60,83 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 = √(((−30 − −10)/2)² + 60²) = 60,83 MPa

Réponse

τmax = 60,83 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 150,2 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 = 75 + 55·0,342 + 60·0,9397 = 150,2 MPa

Réponse

σθ = 150,2 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,09294 mm

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.

Aires

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·9346 = 1,076 × 10⁹ N

Raccourcissement

δ = 200000·500/1,076 × 10⁹ = 0,09294 mm

Réponse

δ = 0,09294 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 19,28 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 83,56 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 83,56·1000/117000 = 0,7142 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 928,4·2000/100000 = 18,57 mm
δ = δ1 + δ2 = 19,28 mm

Réponse

δ = 19,28 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 313,9 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/2000² = 313939 N = 313,9 kN

Réponse

Pcr = 313,9 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 27,76 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/15 = 266,7

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa

Réponse

σcr = 27,76 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 1,47 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 = √(2000/15) = 11,55 rad/s
fn = 11,55/(2π) = 1,838 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,838·√(1 − 0,6²) = 1,47 Hz

Réponse

fd = 1,47 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 4,64 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 côte à côte ont le même allongement et leurs forces s’additionnent ; leurs raideurs s’additionnent donc simplement : k = k1 + k2.

keq = 25 + 60 = 85 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(85000/100) = 29,15 rad/s
fn = 29,15/(2π) = 4,64 Hz

Réponse

fn = 4,64 Hz

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