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​ = 24

Un moteur de 11 kW tournant à 1440 rpm entraîne un pignon de 12 dents, qui engrène avec une roue de 24 dents. L’engrenage a un rendement de 95 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 11 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 24η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 32B = 50C = 45D = 48

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (32 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 960 rpm, entraîne la roue B (50 dents). La roue C (45 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (48 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 960 rpmA = 32B = 50C = 45D = 48
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 50 mmd2​ = 20 mmT = 200 N·mABC0,8 m2,5 m

Un arbre plein étagé en acier est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 50 mm et une longueur de 0,8 m ; le tronçon BC a un diamètre de 20 mm et une longueur de 2,5 m. Un couple de 200 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

T = 200 N·md1 = 50 mm, L1 = 0,8 md2 = 20 mm, L2 = 2,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 25 mmT0​ = 1500 N·mACBa = 1,5 mb = 1 m

Un arbre plein en acier de diamètre 25 mm est encastré dans des murs rigides à ses deux extrémités A et B. Un couple de 1500 N·m est appliqué en C, à 1,5 m de A et 1 m de B. Trouvez l’angle de rotation φC de la section C, en degrés.

d = 25 mmT0 = 1500 N·ma = 1,5 mb = 1 mG = 80 GPa
φC = °
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 40σy​ = 20MPaτxy​ = ?

En un point, σₓ = 40 MPa et σᵧ = 20 MPa. Jusqu’à quelle valeur la contrainte de cisaillement τxy (en valeur absolue) peut-elle monter avant que la plus grande contrainte principale atteigne 80 MPa ?

σx = 40 MPaσy = 20 MPaσ1 = 80 MPa
τxy = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
35°D = 1000 mm, t = 8 mm, p = 2 MPap

Un réservoir cylindrique à paroi mince, de diamètre intérieur 1000 mm et d’épaisseur de paroi 8 mm, contient un gaz à une pression relative de 2 MPa. Il est réalisé en tôle soudée le long d’un cordon hélicoïdal incliné de 35° par rapport à l’axe du cylindre. Trouvez la contrainte normale σn qui agit perpendiculairement au cordon de soudure.

D = 1000 mmt = 8 mmp = 2 MPaα = 35°
σn = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12400 mm400 mmØ20Ø60δ = 0,5 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 20 mm, longueur 400 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en cuivre (diamètre 60 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 0,5 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatronçon 2: cuivre, Ø60 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
40 kN12600 mm300 mmØ40Ø50σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 40 mm, longueur 600 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en bronze (diamètre 50 mm, longueur 300 mm, E = 110 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 40 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatronçon 2: bronze, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 md = 50 mmsection

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

L = 2 mE = 200 GPa (acier)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 5 kNL = 1 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est articulé aux deux extrémités. Il doit porter 5 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 5 kNn = 3L = 1 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 20 kN/mζ = 0,3m = 12 kg

Une masse de 12 kg sur un ressort de raideur 20 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,3. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 12 kgk = 20 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 80k2​ = 25k3​ = 30m = 40 kg

Une masse de 40 kg est suspendue au ressort k₃ = 30 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 = 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 = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 72,95 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 = 11000/150,8 = 72,95 N·m

Réponse

T1 = 72,95 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 576 rpm

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.

Premier étage

nB = 960·32/50 = 614,4 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 614,4·45/48 = 576 rpm

Réponse

nout = 576 rpm

rapport total = 1,667 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: φC = 22,98 °

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.

Moments polaires

J1 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Torsion de chaque tronçon

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·800/(80000·613592) = 0,003259 rad
φBC = 200000·2500/(80000·15708) = 0,3979 rad

Torsion totale

φC = 0,003259 + 0,3979 = 0,4011 rad = 22,98°

Réponse

φC = 22,98°
4.Torsion des arbres

Réponse: φC = 16,81 °

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 = 1500
TA·a = TB·b
TA = 1500·1/2,5 = 600 N·m
TB = 1500·1,5/2,5 = 900 N·m

Rotation de C

Utilisez le tronçon AC : il est encastré en A et transmet TA.

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 600000·1500/(80000·38350) = 0,2934 rad = 16,81°

Réponse

φC = 16,81°
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τxy = 48,99 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.

Rayon requis

C = (40 + 20)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 80 − 30 = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Contrainte de cisaillement

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 10²) = 48,99 MPa

Réponse

τxy = 48,99 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σn = 104,4 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. Cylindre à paroi mince : contrainte circonférentielle σh = pr/t et contrainte axiale σa = pr/(2t) ; ce sont les contraintes principales dans la paroi.

Contraintes dans la paroi

r = 1000/2 = 500 mm
σh = pr/t = 2·500/8 = 125 MPa
σa = pr/(2t) = 62,5 MPa

Projeter sur le cordon

Prenez x le long de l’axe (σa) et y selon la circonférence (σh). La normale au cordon fait 90° − α avec l’axe.

σn = 62,5·sin²35° + 125·cos²35° = 104,4 MPa

Réponse

σn = 104,4 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 66,27 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 = 314,2 mm², A₂ = 2827 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·2827) = 1,179 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,5/7,545 × 10⁻⁶ = 66268 N = 66,27 kN

Réponse

P = 66,27 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 12,88 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 = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 110000·1963/300 = 719948 N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 40000·719948/1,139 × 10⁶ = 25287 N

Contrainte

σ2 = 25287/1963 = 12,88 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 12,88 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 309 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1400² = 308975 N = 309 kN

Réponse

Pcr = 309 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 19,84 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 = 3·5000 = 15000 N
KL = 1·1000 = 1000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·15000·1000²/(π³·200000))^(1/4) = 19,84 mm

Réponse

d = 19,84 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 201,7, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 6,198 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 = √(20000/12) = 40,82 rad/s
fn = 40,82/(2π) = 6,497 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,497·√(1 − 0,3²) = 6,198 Hz

Réponse

fd = 6,198 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,844 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 + 25 = 105 kN/m
keq = 105·30/(105 + 30) = 23,33 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(23333/40) = 24,15 rad/s
fn = 24,15/(2π) = 3,844 Hz

Réponse

fn = 3,844 Hz

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