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​ = 40N2​ = 50

Un moteur de 7,5 kW tournant à 960 rpm entraîne un pignon de 40 dents, qui engrène avec une roue de 50 dents. L’engrenage a un rendement de 96 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 7,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 40N2 = 50η = 96%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 125 mm tournant à 960 tr/min à une poulie de 500 mm ; les centres sont distants de 800 mm. Le coefficient de frottement est 0,35 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 800 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmd2 = 500 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
T = 250 N·md = 30 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 = 250 N·md = 30 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Un arbre creux transmet 20 kW à 500 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 20 kWN = 500 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 50σy​ = 90τxy​ = 40MPa

En un point, σₓ = 50 MPa, σᵧ = 90 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). L’élément est tourné de 30° dans le sens horaire. Trouvez la contrainte normale σy′ sur les faces de l’élément tourné perpendiculaires à l’axe tourné y′.

σx = 50 MPaσy = 90 MPaτxy = 40 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −50σy​ = 0τxy​ = −10MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = 0 MPa et τₓᵧ = −10 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 20° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = −50 MPaσy = 0 MPaτxy = −10 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 10 mmAcier3 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 10 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmAcier1 mØ 12 mmLaiton1 mP = 75 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 = 75 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 1 m, acier (E = 200 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 1 m, laiton (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 1 m20 × 40 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 = 1 mE = 200 GPa (acier)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 4 md = 80 mmsection

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

L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 15 kN/mζ = 0,5m = 100 kg

Une masse de 100 kg sur un ressort de raideur 15 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,5. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 100 kgk = 15 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 50k2​ = 50k3​ = 80m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue au ressort k₃ = 80 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 50 kN/m et k₂ = 50 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 = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 74,6 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/100,5 = 74,6 N·m

Réponse

T1 = 74,6 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,051 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 = 2,668 rad

Tension du brin mou

eμθ = e0,934 = 2,545, T₂ = 800/2,545 = 314,4 N

Puissance

P = (800 − 314,4)·6,283 = 3,051 kW

Réponse

P = 3,051 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 3,695 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 250·1000·800/(39000·79522) = 0,06449 rad
φ = 0,06449·180/π = 3,695°

Réponse

φ = 3,695°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 40 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 = 20000/52,36 = 382 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 381972·20/190984 = 40 MPa

Réponse

τmax = 40 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σy′ = 114,6 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 pour la face y′

σy′ = 70 − (−20)·0,5 − 40·(−0,866) = 114,6 MPa

Vérification

La somme des contraintes normales ne change pas avec la rotation.

σx′ = 25,36 MPa, σx′ + σy′ = 140 = σx + σy

Réponse

σy′ = 114,6 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = −50,58 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 = −25 + −25·0,766 + −10·0,6428 = −50,58 MPa

Réponse

σθ = −50,58 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 14,32 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 75·1000/78,54 = 954,9 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for acier = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 954,9/200000 = 0,004775 = 4775 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,004775·3000 mm = 14,32 mm

Réponse

δ = 14,32 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 663,1 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 59,68 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Contrainte maximale

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

σmax = 663,1 MPa

Réponse

σmax = 663,1 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 107,4 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/700² = 107424 N = 107,4 kN

Réponse

Pcr = 107,4 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 35,25 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/20 = 140

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Réponse

σcr = 35,25 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 1,688 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 = √(15000/100) = 12,25 rad/s
fn = 12,25/(2π) = 1,949 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,949·√(1 − 0,5²) = 1,688 Hz

Réponse

fd = 1,688 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 6,711 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 = 50 + 50 = 100 kN/m
keq = 100·80/(100 + 80) = 44,44 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(44444/25) = 42,16 rad/s
fn = 42,16/(2π) = 6,711 Hz

Réponse

fn = 6,711 Hz

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