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​ = 125 mmd2​ = 315 mm720 rpmT1​ = 500 NT2​ = 250 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 125 mm tournant à 720 tr/min. La tension est de 500 N sur le brin tendu et de 250 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 125 mmn1 = 720 rpmT1 = 500 NT2 = 250 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Une courroie ouverte relie une poulie de 80 mm et une poulie de 400 mm dont les centres sont distants de 500 mm. Trouvez l’angle d’enroulement θ sur la plus petite poulie, en degrés.

d1 = 80 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsion des arbresMoyen
T = 200 N·md = 30 mmL = 1,2 mφ = ?

Un arbre plein en acier 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 = 30 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 60 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 250 N·mABC2 m1 m

Un arbre plein en laiton de diamètre 60 mm est encastré en A. Un couple de 200 N·m agit en B, à 2 m de A, et un couple de 250 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 1 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 60 mmTB = 200 N·mTC = 250 N·mAB = 2 mBC = 1 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 140σy​ = 10τxy​ = 30MPa

En un point, σₓ = 140 MPa, σᵧ = 10 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). L’élément est tourné de 50° dans le sens trigonométrique. Trouvez la contrainte normale σy′ sur les faces de l’élément tourné perpendiculaires à l’axe tourné y′.

σx = 140 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 140σy​ = −50τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 140 MPa, σᵧ = −50 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 30° dans le sens horaire par rapport à l’axe x.

σx = 140 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12500 mm400 mmØ25Ø40δ = 0,25 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 500 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en cuivre (diamètre 40 mm, longueur 400 mm, E = 120 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, 500 mm, E = 200 GPatronçon 2: cuivre, Ø40 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 35 mmLaiton1,5 mØ 12 mmLaiton0,5 mP = 25 kN

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

P = 25 kNtronçon 1 : Ø35 mm, 1,5 m, laiton (E = 100 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 0,5 m, laiton (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 md = 40 mmsection

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

L = 2 mE = 200 GPa (acier)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 80 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 = 3 mE = 200 GPa (acier)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx30 mm2 cycles16 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 30 mm est suivi, 2 cycles plus tard, d’un pic de 16 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 30 mmx2 = 16 mmn = 2
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 5k2​ = 20m = 10 kg

Une masse de 10 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 5 kN/m et celui du bas k₂ = 20 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 1,178 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 = 4,712 m/s

Puissance

P = (500 − 250)·4,712 = 1178 W = 1,178 kW

Réponse

P = 1,178 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: θ = 142,7 °

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(0,32) = 18,66°

Angle d’enroulement

θ = 180 − 2·18,66 = 142,7°

Réponse

θ = 142,7°
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 2,162 °

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) = 200·1000·1200/(80000·79522) = 0,03773 rad
φ = 0,03773·180/π = 2,162°

Réponse

φ = 2,162°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 5,895 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·60³) = 5,895 MPa

Réponse

τmax = 5,895 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σy′ = 56,74 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′ = 75 − 65·(−0,1736) − 30·0,9848 = 56,74 MPa

Vérification

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

σx′ = 93,26 MPa, σx′ + σy′ = 150 = σx + σy

Réponse

σy′ = 56,74 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 66,52 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 = 45 + 95·0,5 + 30·−0,866 = 66,52 MPa

Réponse

σθ = 66,52 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 32,28 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 = 1257 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·1257) = 2,653 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,25/7,746 × 10⁻⁶ = 32277 N = 32,28 kN

Réponse

P = 32,28 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 1,495 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 25,98 MPa
σ2 = 221 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 25,98·1500/100000 = 0,3898 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 221·500/100000 = 1,105 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,495 mm

Réponse

δ = 1,495 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 248,1 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1000² = 248050 N = 248,1 kN

Réponse

Pcr = 248,1 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 179 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 = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/20 = 105

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/105² = 179 MPa

Réponse

σcr = 179 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,04996

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 = (1/2)·ln(30/16) = 0,3143

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3143/√(39,48 + 0,09879) = 0,04996

Réponse

ζ = 0,04996
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 4 kN/m

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 en série subissent la même force et leurs allongements s’additionnent ; ils se combinent donc par leurs inverses : 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/5 + 1/20 → keq = 5·20/(5 + 20) = 4 kN/m

Réponse

keq = 4 kN/m

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