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​ = 15N2​ = 32

Un moteur de 1,5 kW tournant à 1440 rpm entraîne un pignon de 15 dents, qui engrène avec une roue de 32 dents. L’engrenage a un rendement de 96 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 1,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 32η = 96%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm2880 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 80 mm tournant à 2880 tr/min à une poulie de 200 mm ; les centres sont distants de 800 mm. Le coefficient de frottement est 0,25 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 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 200 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 1200 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 750 N·mABC1,2 m0,5 m

Un arbre plein étagé en acier est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 40 mm et une longueur de 1,2 m ; le tronçon BC a un diamètre de 30 mm et une longueur de 0,5 m. Un couple de 750 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

T = 750 N·md1 = 40 mm, L1 = 1,2 md2 = 30 mm, L2 = 0,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 2000 N·mABC3 m0,5 m

Un arbre plein en acier de diamètre 40 mm est encastré en A. Un couple de 200 N·m agit en B, à 3 m de A, et un couple de 2000 N·m de même sens agit à l’extrémité libre C, 0,5 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 2000 N·mAB = 3 mBC = 0,5 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 120σy​ = −30MPaτxy​ = ?

En un point, σₓ = 120 MPa et σᵧ = −30 MPa. Jusqu’à quelle valeur la contrainte de cisaillement τxy (en valeur absolue) peut-elle monter avant que la plus grande contrainte principale atteigne 140 MPa ?

σx = 120 MPaσy = −30 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −80σy​ = 80τxy​ = 10MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −80 MPa, σᵧ = 80 MPa et τₓᵧ = 10 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 = −80 MPaσy = 80 MPaτxy = 10 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12600 mm400 mmØ30Ø30δ = 0,3 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 30 mm, longueur 600 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en cuivre (diamètre 30 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 0,3 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatronçon 2: cuivre, Ø30 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 25 mmAluminium1 mØ 20 mmLaiton1,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 1,5 m, laiton (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 m40 × 80 mmsection

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 30 kNL = 2 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Il doit porter 30 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 30 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx50 mm5 cycles4 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 50 mm est suivi, 5 cycles plus tard, d’un pic de 4 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 50 mmx5 = 4 mmn = 5
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 20k2​ = 25m = 100 kg

Une masse de 100 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 20 kN/m et k₂ = 25 kN/m. La masse reste horizontale. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 9,947 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 = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Réponse

T1 = 9,947 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 7,624 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 = 2,991 rad

Tension du brin mou

eμθ = e0,7479 = 2,112, T₂ = 1200/2,112 = 568,1 N

Puissance

P = (1200 − 568,1)·12,06 = 7,624 kW

Réponse

P = 7,624 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: φC = 5,942 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torsion de chaque tronçon

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·1200/(80000·251327) = 0,04476 rad
φBC = 750000·500/(80000·79522) = 0,05895 rad

Torsion totale

φC = 0,04476 + 0,05895 = 0,1037 rad = 5,942°

Réponse

φC = 5,942°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 175,1 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 = 2000 N·m
TAB = TC + TB = 2000 + 200 = 2200 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 = 2200 N·m
τmax = 16·2,2 × 10⁶/(π·40³) = 175,1 MPa

Réponse

τmax = 175,1 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τxy = 58,31 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 = (120 + (−30))/2 = 45 MPa
R = σ1 − C = 140 − 45 = 95 MPa
στxyCσ1​σ2​

Contrainte de cisaillement

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(95² − 75²) = 58,31 MPa

Réponse

τxy = 58,31 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = −43,76 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 = −−80·−0,6428 + 10·0,766 = −43,76 MPa

Réponse

τθ = −43,76 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 33,48 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 = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·706,9) = 4,716 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,3/8,96 × 10⁻⁶ = 33483 N = 33,48 kN

Réponse

P = 33,48 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 4,611 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 122,2 MPa
σ2 = 191 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 122,2·1000/70000 = 1,746 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 191·1500/100000 = 2,865 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,611 mm

Réponse

δ = 4,611 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 11,79 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·5000 = 5000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/5000² = 11791 N = 11,79 kN

Réponse

Pcr = 11,79 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 57,08 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 = 3·30000 = 90000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 57,08 mm

Réponse

d = 57,08 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 140,2, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,08014

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 = (1/5)·ln(50/4) = 0,5051

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5051/√(39,48 + 0,2552) = 0,08014

Réponse

ζ = 0,08014
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,376 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

Des ressorts côte à côte ont le même allongement et leurs forces s’additionnent ; leurs raideurs s’additionnent donc simplement : k = k1 + k2.

keq = 20 + 25 = 45 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(45000/100) = 21,21 rad/s
fn = 21,21/(2π) = 3,376 Hz

Réponse

fn = 3,376 Hz

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