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​ = 500 mm960 rpmn2​ = ?

Une poulie de 80 mm tournant à 960 tr/min entraîne une poulie de 500 mm par une courroie avec 1 % de glissement. Trouvez la vitesse n2 de la poulie menée.

n1 = 960 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 800 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 200 mm et une poulie de 400 mm dont les centres sont distants de 800 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 200 mmd2 = 400 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torsion des arbresMoyen
do​ = 50, di​ = 30 mmT = 2000 N·mL = 3 m

Un arbre creux en laiton (diamètre extérieur 50 mm, diamètre intérieur 30 mm, longueur 3 m) est encastré à une extrémité et soumis à un couple de 2000 N·m à l’autre. Trouvez l’angle de torsion φ en degrés.

T = 2000 N·mdo = 50 mmdi = 30 mmL = 3 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 50 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 250 N·mABC1 m3 m

Un arbre plein en acier de diamètre 50 mm est encastré en A. Un couple de 200 N·m agit en B, à 1 m de A, et un couple de 250 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 3 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 50 mmTB = 200 N·mTC = 250 N·mAB = 1 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 120σy​ = 20τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 120 MPa, σᵧ = 20 MPa et τₓᵧ = 30 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 = 120 MPaσy = 20 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −30σy​ = 110τxy​ = 50MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −30 MPa, σᵧ = 110 MPa et τₓᵧ = 50 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 45° dans le sens horaire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −30 MPaσy = 110 MPaτxy = 50 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12400 mm500 mmØ25Ø60δ = 0,25 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 400 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en aluminium (diamètre 60 mm, longueur 500 mm, E = 70 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, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPatronçon 2: aluminium, Ø60 mm, 500 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmAcier1,5 mØ 20 mmLaiton1,5 mP = 45 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 = 45 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 1,5 m, acier (E = 200 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 1,5 m, laiton (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 m50 × 100 mmsection

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

L = 5 mE = 200 GPa (acier)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 70 kNL = 3 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est encastré en pied et libre en tête. Il doit porter 70 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 70 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx30 mm3 cycles6,6 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 30 mm est suivi, 3 cycles plus tard, d’un pic de 6,6 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 30 mmx3 = 6,6 mmn = 3
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 80k2​ = 80k3​ = 20m = 50 kg

Une masse de 50 kg est suspendue au ressort k₃ = 20 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 = 80 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 = 80 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: n2 = 152,1 rpm

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 sans glissement

960·80/500 = 153,6 rpm

Avec glissement

n2 = 153,6·0,99 = 152,1 rpm

Réponse

n2 = 152,1 rpm
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 165,6 °

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(0,125) = 7,181°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Réponse

θ = 165,6°
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 16,5 °

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 − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

Angle de torsion

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 3 m = 3000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·3000/(39000·534071) = 0,2881 rad
φ = 0,2881·180/π = 16,5°

Réponse

φ = 16,5°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 10,19 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.

Couples internes

Sens de TC pris comme positif.

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC − TB = 250 − 200 = 50 N·m

Contrainte de cisaillement maximale

Le tronçon dont le couple interne est le plus grand a la plus grande contrainte (même diamètre).

|T|max = 250 N·m
τmax = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa

Réponse

τmax = 10,19 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 15,48 °

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(2·30, 120 − 20) = 30,96°

Angle sur l’élément

θp = 15,48°

Réponse

θp = 15,48°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = −70 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 = −−70·−1 + 50·0 = −70 MPa

Réponse

τθ = −70 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 37,88 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 = 490,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·490,9) = 4,074 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(70000·2827) = 2,526 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,25/6,601 × 10⁻⁶ = 37875 N = 37,88 kN

Réponse

P = 37,88 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 143,2 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 46,77 MPa
σ2 = 143,2 MPa

Contrainte maximale

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

σmax = 143,2 MPa

Réponse

σmax = 143,2 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 20,56 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 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·5000 = 10000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·1,042 × 10⁶/10000² = 20562 N = 20,56 kN

Réponse

Pcr = 20,56 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 122,2 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 = 3·70000 = 210000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·210000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 122,2 mm

Réponse

d = 122,2 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 196,4, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,08007

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.

Décrément logarithmique

δ = (1/3)·ln(30/6,6) = 0,5047

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5047/√(39,48 + 0,2547) = 0,08007

Réponse

ζ = 0,08007
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,001 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 + 80 = 160 kN/m
keq = 160·20/(160 + 20) = 17,78 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(17778/50) = 18,86 rad/s
fn = 18,86/(2π) = 3,001 Hz

Réponse

fn = 3,001 Hz

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