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​ = 24N2​ = 32

Un moteur de 5,5 kW tournant à 1440 rpm entraîne un pignon de 24 dents, qui engrène avec une roue de 32 dents. L’engrenage a un rendement de 95 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 32η = 95%
T2 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm1450 rpmC = 1200 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 100 mm tournant à 1450 tr/min à une poulie de 400 mm ; les centres sont distants de 1200 mm. Le coefficient de frottement est 0,3 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 1200 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 400 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
T = 200 N·md = 25 mmL = 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 = 25 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 50 mmT0​ = 400 N·mACBa = 1 mb = 2 m

Un arbre plein en acier de diamètre 50 mm est encastré dans des murs rigides à ses deux extrémités A et B. Un couple de 400 N·m est appliqué en C, à 1 m de A et 2 m de B. Trouvez le couple de réaction TA au mur A.

d = 50 mmT0 = 400 N·ma = 1 mb = 2 m
TA = N·m
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 50σy​ = 70τxy​ = 20MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 50 MPa, σᵧ = 70 MPa et τₓᵧ = 20 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 = 50 MPaσy = 70 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −30σy​ = −70τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −30 MPa, σᵧ = −70 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 20° dans le sens horaire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −30 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 12 mmAluminium1,5 mP = 95 kN

Trouvez la déformation axiale ε dans la barre en aluminium, en microdéformations (µε = 10⁻⁶).

P = 95 kNd = 12 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
100 kN12300 mm500 mmØ25Ø50σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 300 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en laiton (diamètre 50 mm, longueur 500 mm, E = 100 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 100 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatronçon 2: laiton, Ø50 mm, 500 mm, E = 100 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2,5 m50 × 80 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 60 mmsection

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

L = 3 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 5 kN/mζ = 0,5m = 10 kg

Une masse de 10 kg sur un ressort de raideur 5 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 = 10 kgk = 5 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 25k2​ = 100k3​ = 10m = 40 kg

Une masse de 40 kg est suspendue au ressort k₃ = 10 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 25 kN/m et k₂ = 100 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 = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 46,2 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/150,8 = 36,47 N·m

Couple de sortie

T2 = 36,47·32/24·0,95 = 46,2 N·m

Réponse

T2 = 46,2 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 5,283 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.

Angle d’enroulement

θ = 2,891 rad

Tension du brin mou

eμθ = e0,8673 = 2,38, T₂ = 1200/2,38 = 504,1 N

Puissance

P = (1200 − 504,1)·7,592 = 5,283 kW

Réponse

P = 5,283 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 7,47 °

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) = 200·1000·2000/(80000·38350) = 0,1304 rad
φ = 0,1304·180/π = 7,47°

Réponse

φ = 7,47°
4.Torsion des arbres

Réponse: TA = 266,7 N·m

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. Quand les deux extrémités sont encastrées, la statique seule ne donne que TA + TB = T₀ ; la deuxième équation est la compatibilité (même rotation des deux parties à la section chargée).

Équilibre et compatibilité

TA + TB = 400
TA·a = TB·b
TA = 400·2/3 = 266,7 N·m
TB = 400·1/3 = 133,3 N·m

Réponse

TA = 266,7 N·m
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(2·20, 50 − 70) = 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: τθ = 35,84 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 = −20·−0,6428 + 30·0,766 = 35,84 MPa

Réponse

τθ = 35,84 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 12000 µε

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 = 95·1000/113,1 = 840 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 840/70000 = 0,012 = 12000 µε

Réponse

ε = 12000 µε
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 27,78 MPa

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.

Rigidités

k₁ = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 100000·1963/500 = 392699 N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 100000·392699/719948 = 54545 N

Contrainte

σ2 = 54545/1963 = 27,78 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 27,78 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 23,03 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·2500 = 5000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/5000² = 23029 N = 23,03 kN

Réponse

Pcr = 23,03 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 49,35 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 = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Réponse

σcr = 49,35 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 3,082 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 = √(5000/10) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,5²) = 3,082 Hz

Réponse

fd = 3,082 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 2,421 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 = 25 + 100 = 125 kN/m
keq = 125·10/(125 + 10) = 9,259 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(9259/40) = 15,21 rad/s
fn = 15,21/(2π) = 2,421 Hz

Réponse

fn = 2,421 Hz

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