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​ = 160 mmd2​ = 200 mm720 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 400 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 160 mm tournant à 720 tr/min. La tension est de 1000 N sur le brin tendu et de 400 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmT1 = 1000 NT2 = 400 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 12B = 20C = 25D = 45

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (12 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 2900 rpm, entraîne la roue B (20 dents). La roue C (25 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (45 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 2900 rpmA = 12B = 20C = 25D = 45
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 50 mmd2​ = 40 mmT = 500 N·mABC2 m0,8 m

Un arbre plein étagé en laiton est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 50 mm et une longueur de 2 m ; le tronçon BC a un diamètre de 40 mm et une longueur de 0,8 m. Un couple de 500 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

T = 500 N·md1 = 50 mm, L1 = 2 md2 = 40 mm, L2 = 0,8 m
τmax = MPa
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 75 mm, di​ = 60 mm

Un arbre creux transmet 30 kW à 300 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 30 kWN = 300 rpmdo = 75 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 120σy​ = −40τxy​ = −20MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 120 MPa, σᵧ = −40 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 = 120 MPaσy = −40 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −50σy​ = 30τxy​ = 60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = 30 MPa et τₓᵧ = 60 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 45° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 30 MPaτxy = 60 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 12 mmCuivre1,5 mP = 20 kN

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

P = 20 kNd = 12 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 25 mmLaiton0,5 mØ 20 mmAcier0,5 mP = 15 kN

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

P = 15 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 0,5 m, laiton (E = 100 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 0,5 m, acier (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 md = 30 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 = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 4 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 = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx10 mm3 cycles2,2 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 10 mm est suivi, 3 cycles plus tard, d’un pic de 2,2 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 10 mmx3 = 2,2 mmn = 3
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 25k2​ = 5m = 50 kg

Une masse de 50 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 25 kN/m et k₂ = 5 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 = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,619 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 = 6,032 m/s

Puissance

P = (1000 − 400)·6,032 = 3619 W = 3,619 kW

Réponse

P = 3,619 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 966,7 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 = 2900·12/20 = 1740 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 1740·25/45 = 966,7 rpm

Réponse

nout = 966,7 rpm

rapport total = 3 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 39,79 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·50³) = 20,37 MPa
τBC = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa

Réponse

τmax = 39,79 MPa
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 19,53 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.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(75⁴ − 60⁴)/32 = 1,834 × 10⁶ mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 954930·37,5/1,834 × 10⁶ = 19,53 MPa

Réponse

τmax = 19,53 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = −7,018 °

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.

στxyCσ1​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, 120 − −40) = −14,04°

Angle sur l’élément

θp = −7,018°

Réponse

θp = −7,018°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = 40 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 = −−40·1 + 60·0 = 40 MPa

Réponse

τθ = 40 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 1511 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 = 20·1000/113,1 = 176,8 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for cuivre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 176,8/117000 = 0,001511 = 1511 µε

Réponse

ε = 1511 µε
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,2722 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 = 30,56 MPa
σ2 = 47,75 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 30,56·500/100000 = 0,1528 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 47,75·500/200000 = 0,1194 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,2722 mm

Réponse

δ = 0,2722 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 78,48 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1000² = 78485 N = 78,48 kN

Réponse

Pcr = 78,48 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 12,34 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 = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/10 = 400

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Réponse

σcr = 12,34 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,08007

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 = (1/3)·ln(10/2,2) = 0,5047

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5047/√(39,48 + 0,2547) = 0,08007

Réponse

ζ = 0,08007
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,898 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 = 25 + 5 = 30 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(30000/50) = 24,49 rad/s
fn = 24,49/(2π) = 3,898 Hz

Réponse

fn = 3,898 Hz

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