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​ = 40

Un moteur de 7,5 kW tournant à 1450 rpm entraîne un pignon de 12 dents, qui engrène avec une roue de 40 dents. L’engrenage a un rendement de 96 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 40η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 15B = 24C = 12D = ?

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (15 dents) sur l’arbre d’entrée tourne à 960 tr/min et entraîne la roue B (24 dents). La roue C (12 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D sur l’arbre de sortie. La sortie doit tourner à 225 tr/min. Combien de dents ND la roue D doit-elle avoir ?

nin = 960 rpmA = 15B = 24C = 12nout = 225 rpm
ND =
3.Torsion des arbresMoyen
T = 100 N·md = 25 mmL = 0,5 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 = 100 N·md = 25 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 75 kW à 1800 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 80 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 75 kWN = 1800 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 160σy​ = 0τxy​ = 60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 160 MPa, σᵧ = 0 MPa et τₓᵧ = 60 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 = 160 MPaσy = 0 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 50 mm supporte un effort de compression axial de 110 kN ainsi qu’un couple de 1500 N·m. À la surface de l’arbre, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 50 mmF = −110 kNT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 12 mmLaiton2 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 12 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 30 mmCuivre1,5 mØ 12 mmLaiton1,5 mP = 30 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 = 30 kNtronçon 1 : Ø30 mm, 1,5 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 1,5 m, laiton (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 4 md = 60 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré en pied et libre en tête. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 5 md = 60 mmsection

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 100 kN/mζ = 0,6m = 15 kg

Une masse de 15 kg sur un ressort de raideur 100 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 = 100 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 30k2​ = 25k3​ = 25m = 100 kg

Une masse de 100 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 = 30 kN/m et k₂ = 25 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 = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 158,1 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Couple de sortie

T2 = 49,39·40/12·0,96 = 158,1 N·m

Réponse

T2 = 158,1 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: ND = 32

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Vitesse de l’arbre intermédiaire

nB = nC = 960·15/24 = 600 rpm

Dents de la roue D

ND = C·nC/nout = 12·600/225 = 32

Réponse

ND = 32
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 1,915 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 100·1000·500/(39000·38350) = 0,03343 rad
φ = 0,03343·180/π = 1,915°

Réponse

φ = 1,915°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 29,37 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 75000/188,5 = 397,9 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·397887/(π·80)) = 29,37 mm

Réponse

d = 29,37 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 18,43 °

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(2·60, 160 − 0) = 36,87°

Angle sur l’élément

θp = 18,43°

Réponse

θp = 18,43°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 39,22 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.

Contraintes à la surface

σ = F/A = −110000/(π·50²/4) = −110000/1963 = −56,02 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = −28,01 MPa
R = √((−28,01)² + 61,12²) = 67,23 MPa
σ1 = C + R = 39,22 MPa
σ2 = C − R = −95,24 MPa

Réponse

σ1 = 39,22 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 15,03 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 85·1000/113,1 = 751,6 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for laiton = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 751,6/100000 = 0,007516 = 7516 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,007516·2000 mm = 15,03 mm

Réponse

δ = 15,03 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 265,3 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 42,44 MPa
σ2 = 265,3 MPa

Contrainte maximale

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

σmax = 265,3 MPa

Réponse

σmax = 265,3 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 6,867 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 = 2·4000 = 8000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/8000² = 6867 N = 6,867 kN

Réponse

Pcr = 6,867 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 1,554 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 = 2·5000 = 10000 mm
KL/r = 10000/15 = 666,7

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/666,7² = 1,554 MPa

Réponse

σcr = 1,554 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 10,4 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 = √(100000/15) = 81,65 rad/s
fn = 81,65/(2π) = 12,99 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 12,99·√(1 − 0,6²) = 10,4 Hz

Réponse

fd = 10,4 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 2,087 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 = 30 + 25 = 55 kN/m
keq = 55·25/(55 + 25) = 17,19 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(17188/100) = 13,11 rad/s
fn = 13,11/(2π) = 2,087 Hz

Réponse

fn = 2,087 Hz

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