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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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​ = 150 mmd2​ = 300 mm720 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 400 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 150 mm tournant à 720 tr/min. La tension est de 1000 N sur le brin tendu et de 400 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 150 mmn1 = 720 rpmT1 = 1000 NT2 = 400 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 16B = 45C = 25D = 32

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (16 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1440 rpm, entraîne la roue B (45 dents). La roue C (25 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (32 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 1440 rpmA = 16B = 45C = 25D = 32
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
T = 200 N·md = 50 mmL = 1,5 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 = 200 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 5 kW à 3000 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 80 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 5 kWN = 3000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 110σy​ = 40τxy​ = −60MPa

En un point, σₓ = 110 MPa, σᵧ = 40 MPa et τₓᵧ = −60 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θs, compris entre −90° et 90°, de l’axe x à la normale du plan sur lequel la contrainte de cisaillement atteint sa valeur positive maximale +R (cisaillement positif dans le même sens que τₓᵧ).

σx = 110 MPaσy = 40 MPaτxy = −60 MPa
θs = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 140σy​ = 10τxy​ = −40MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 140 MPa, σᵧ = 10 MPa et τₓᵧ = −40 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 40° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = 140 MPaσy = 10 MPaτxy = −40 MPaθ = 40°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12500 mm200 mmØ40Ø50δ = 0,25 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 40 mm, longueur 500 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en laiton (diamètre 50 mm, longueur 200 mm, E = 100 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,25 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatronçon 2: laiton, Ø50 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmAcier0,5 mØ 20 mmLaiton0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 0,5 m, acier (E = 200 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 0,5 m, laiton (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 6 m20 × 60 mmsection

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

L = 6 mE = 200 GPa (acier)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 40 kNL = 5 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est encastré aux deux extrémités. Il doit porter 40 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 40 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 12 kN/mζ = 0,5m = 15 kg

Une masse de 15 kg sur un ressort de raideur 12 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 = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 80k2​ = 20k3​ = 25m = 50 kg

Une masse de 50 kg est suspendue au ressort k₃ = 25 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 80 kN/m et k₂ = 20 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 = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,393 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 = 5,655 m/s

Puissance

P = (1000 − 400)·5,655 = 3393 W = 3,393 kW

Réponse

P = 3,393 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 400 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 = 1440·16/45 = 512 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 512·25/32 = 400 rpm

Réponse

nout = 400 rpm

rapport total = 3,6 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 0,7183 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1500/(39000·613592) = 0,01254 rad
φ = 0,01254·180/π = 0,7183°

Réponse

φ = 0,7183°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 10,04 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 5000/314,2 = 15,92 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·15915/(π·80)) = 10,04 mm

Réponse

d = 10,04 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θs = −74,87 °

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​

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le sommet (+R) est à 90° du point principal σ₁ ; sur l’élément, cela fait 45°.

cos 2θs = −60/69,46 = −0,8638, sin 2θs = −35/69,46 = −0,5039
2θs = atan2(−35, −60) = −149,7°

Angle sur l’élément

θs = −74,87°
vérification: θs − θp = −74,87 − (−29,87) = −45°

Réponse

θs = −74,87°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = −70,96 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

τθ = −65·0,9848 + −40·0,1736 = −70,96 MPa

Réponse

τθ = −70,96 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 83,11 kN

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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1963) = 1,019 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,25/3,008 × 10⁻⁶ = 83111 N = 83,11 kN

Réponse

P = 83,11 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 1,296 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 72,76 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 72,76·500/200000 = 0,1819 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 222,8·500/100000 = 1,114 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,296 mm

Réponse

δ = 1,296 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 2,193 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·6000 = 6000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/6000² = 2193 N = 2,193 kN

Réponse

Pcr = 2,193 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 68,58 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 = 3·40000 = 120000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 68,58 mm

Réponse

d = 68,58 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 145,8, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 3,898 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 = √(12000/15) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,5²) = 3,898 Hz

Réponse

fd = 3,898 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,183 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 = 80 + 20 = 100 kN/m
keq = 100·25/(100 + 25) = 20 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(20000/50) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Réponse

fn = 3,183 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design