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​ = 300 mm2880 rpmT1​ = 500 NT2​ = 250 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 80 mm tournant à 2880 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 = 80 mmn1 = 2880 rpmT1 = 500 NT2 = 250 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 48B = 60C = 16D = 48

Un moteur de 1,1 kW à 1450 tr/min entraîne la roue A (48 dents), qui engrène avec la roue B (60 dents). La roue C (16 dents), sur le même arbre que B, entraîne la roue D (48 dents) sur l’arbre de sortie. Chaque engrènement a un rendement de 95 %. Trouvez le couple de sortie Tout.

P = 1,1 kWnin = 1450 rpmA = 48B = 60C = 16D = 48ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 50 mmd2​ = 40 mmT = 400 N·mABC1 m2 m

Un arbre plein étagé en aluminium est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 50 mm et une longueur de 1 m ; le tronçon BC a un diamètre de 40 mm et une longueur de 2 m. Un couple de 400 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

T = 400 N·md1 = 50 mm, L1 = 1 md2 = 40 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 15 kW à 500 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 40 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 15 kWN = 500 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 50σy​ = −60τxy​ = 40MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 50 MPa, σᵧ = −60 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = 50 MPaσy = −60 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 50 mm supporte un effort de compression axial de 150 kN ainsi qu’un couple de 500 N·m. À la surface de l’arbre, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 50 mmF = −150 kNT = 500 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12500 mm500 mmØ40Ø60δ = 0,4 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 40 mm, longueur 500 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en bronze (diamètre 60 mm, longueur 500 mm, E = 110 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,4 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatronçon 2: bronze, Ø60 mm, 500 mm, E = 110 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 25 mmCuivre1 mØ 12 mmAluminium2 mP = 80 kN

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

P = 80 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 1 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2,5 m30 × 60 mmsection

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 6 md = 40 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 = 6 mE = 200 GPa (acier)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 15 kN/mc = 330 N·s/mm = 5 kg

Une masse de 5 kg est portée par un ressort de raideur 15 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 330 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 5 kgk = 15 kN/mc = 330 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 10k2​ = 20m = 100 kg

Une masse de 100 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 10 kN/m et k₂ = 20 kN/m. La masse reste horizontale. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,016 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 = 12,06 m/s

Puissance

P = (500 − 250)·12,06 = 3016 W = 3,016 kW

Réponse

P = 3,016 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Tout = 24,52 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Vitesse de sortie

nout = 1450·(48/60)·(16/48) = 386,7 rpm
ωout = 2π·386,7/60 = 40,49 rad/s

Puissance et couple de sortie

Pout = 1100·0,95² = 992,8 W
Tout = Pout/ωout = 992,8/40,49 = 24,52 N·m

Réponse

Tout = 24,52 N·m
3.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 31,83 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.

Contrainte dans chaque tronçon

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·50³) = 16,3 MPa
τBC = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa

Réponse

τmax = 31,83 MPa
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 33,16 mm

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.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·286479/(π·40)) = 33,16 mm

Réponse

d = 33,16 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 68,01 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.

στxyCτmax​

Rayon du cercle de Mohr

τmax = R = √(((50 − −60)/2)² + 40²) = 68,01 MPa

Réponse

τmax = 68,01 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 5,093 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.

Contraintes à la surface

σ = F/A = −150000/(π·50²/4) = −150000/1963 = −76,39 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·50³) = 20,37 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = −38,2 MPa
R = √((−38,2)² + 20,37²) = 43,29 MPa
σ1 = C + R = 5,093 MPa
σ2 = C − R = −81,49 MPa

Réponse

σ1 = 5,093 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 111,2 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 = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(110000·2827) = 1,608 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,4/3,597 × 10⁻⁶ = 111202 N = 111,2 kN

Réponse

P = 111,2 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 21,6 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 163 MPa
σ2 = 707,4 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 163·1000/117000 = 1,393 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 707,4·2000/70000 = 20,21 mm
δ = δ1 + δ2 = 21,6 mm

Réponse

δ = 21,6 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 59,69 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 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·135000/1250² = 59691 N = 59,69 kN

Réponse

Pcr = 59,69 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 5,483 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/10 = 600

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/600² = 5,483 MPa

Réponse

σcr = 5,483 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,6025

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.

Amortissement critique

cc = 2·√(k·m) = 2·√(15000·5) = 547,7 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 330/547,7 = 0,6025

Réponse

ζ = 0,6025

ζ < 1 : le système est sous-amorti et oscille en s’amortissant.

12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 30 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 côte à côte ont le même allongement et leurs forces s’additionnent ; leurs raideurs s’additionnent donc simplement : k = k1 + k2.

keq = 10 + 20 = 30 kN/m

Réponse

keq = 30 kN/m

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