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​ = ?N2​

Deux arbres parallèles sont distants de 54 mm. Ils doivent être reliés par un engrenage à denture droite de module 1,5 mm avec un rapport de réduction de 2 : 1. Combien de dents N1 le pignon doit-il avoir ?

a = 54 mmm = 1,5 mmi = 2
N1 =
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm720 rpmC = 800 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 125 mm et une poulie de 450 mm dont les centres sont distants de 800 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 125 mmd2 = 450 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torsion des arbresMoyen
do​ = 50, di​ = 38 mmT = 100 N·mL = 2,5 m

Un arbre creux en acier (diamètre extérieur 50 mm, diamètre intérieur 38 mm, longueur 2,5 m) est encastré à une extrémité et soumis à un couple de 100 N·m à l’autre. Trouvez l’angle de torsion φ en degrés.

T = 100 N·mdo = 50 mmdi = 38 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = ?75 kW, 1000 rpm

Un arbre plein en aluminium transmet 75 kW à 1000 tr/min. La contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser 60 MPa et la torsion ne doit pas dépasser 1° par m de longueur. Trouvez le plus petit diamètre d qui respecte les deux limites.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPaθallow = 1°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −60σy​ = −50τxy​ = −10MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −60 MPa, σᵧ = −50 MPa et τₓᵧ = −10 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 = −60 MPaσy = −50 MPaτxy = −10 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 90σy​ = −40τxy​ = −30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 90 MPa, σᵧ = −40 MPa et τₓᵧ = −30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 60° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = 90 MPaσy = −40 MPaτxy = −30 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
80 kNØ25100 GPaØ80/60500 mmδ = ?

Une tige en acier (diamètre 25 mm, E = 200 GPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en laiton (diamètre extérieur 80 mm, diamètre intérieur 60 mm, E = 100 GPa). Les deux mesurent 500 mm de long et sont comprimés ensemble entre des plaques rigides par 80 kN. Trouvez le raccourcissement δ.

P = 80 kNbarre: Ø25 mm, E = 200 GPatube: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmAluminium0,5 mØ 16 mmAluminium2 mP = 30 kN

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

P = 30 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)tronçon 2 : Ø16 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 1,5 m40 × 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 = 1,5 mE = 200 GPa (acier)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 6 md = 25 mmsection

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

L = 6 mE = 200 GPa (acier)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 10 kN/mc = 270 N·s/mm = 5 kg

Une masse de 5 kg est portée par un ressort de raideur 10 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 270 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 5 kgk = 10 kN/mc = 270 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 30k2​ = 60m = 40 kg

Une masse de 40 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 30 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 = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: N1 = 24

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Nombre total de dents

N1 + N2 = 2a/m = 2·54/1,5 = 72

Répartir selon le rapport

N1 = 72/(1 + 2) = 24

Réponse

N1 = 24
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 156,6 °

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(0,2031) = 11,72°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·11,72 = 156,6°

Réponse

θ = 156,6°
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 0,4379 °

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 − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴

Angle de torsion

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 100000·2500/(80000·408885) = 0,007643 rad
φ = 0,007643·180/π = 0,4379°

Réponse

φ = 0,4379°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 63,32 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diamètre pour la résistance

T = 716,2 N·m = 716197 N·mm
dτ = ∛(16·716197/(π·60)) = 39,32 mm

Diamètre pour la rigidité

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·716197/(π·26000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 63,32 mm

Diamètre déterminant

Les deux limites doivent être respectées, donc c’est le plus grand diamètre qui est déterminant.

d = max(39,32, 63,32) = 63,32 mm

Réponse

d = 63,32 mm

Ici, c’est la rigidité qui est déterminante.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = −58,28 °

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.

σxyCσ1​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·−10, −60 − −50) = −116,6°

Angle sur l’élément

θp = −58,28°

Réponse

θp = −58,28°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = −33,48 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 + 65·−0,5 + −30·0,866 = −33,48 MPa

Réponse

σθ = −33,48 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,1258 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·2199 = 3,181 × 10⁸ N

Raccourcissement

δ = 80000·500/3,181 × 10⁸ = 0,1258 mm

Réponse

δ = 0,1258 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 4,434 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 23,87 MPa
σ2 = 149,2 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 23,87·500/70000 = 0,1705 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 149,2·2000/70000 = 4,263 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,434 mm

Réponse

δ = 4,434 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 280,7 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·1500 = 1500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/1500² = 280735 N = 280,7 kN

Réponse

Pcr = 280,7 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 4,371 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/6,25 = 672

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/672² = 4,371 MPa

Réponse

σcr = 4,371 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,6037

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·√(10000·5) = 447,2 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 270/447,2 = 0,6037

Réponse

ζ = 0,6037

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

12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 7,549 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 = 30 + 60 = 90 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(90000/40) = 47,43 rad/s
fn = 47,43/(2π) = 7,549 Hz

Réponse

fn = 7,549 Hz

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