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​ = 16N2​ = 48

Un moteur de 7,5 kW tournant à 2900 rpm entraîne un pignon de 16 dents, qui engrène avec une roue de 48 dents. L’engrenage a un rendement de 97 %. Trouvez le couple T1 sur l’arbre du moteur.

P = 7,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 16N2 = 48η = 97%
T1 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 16B = 32C = 45D = 48

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (16 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1450 rpm, entraîne la roue B (32 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 = 1450 rpmA = 16B = 32C = 45D = 48
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
T = 250 N·md = 30 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 = 250 N·md = 30 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = ?5 kW, 1500 rpm

Un arbre plein en acier transmet 5 kW à 1500 tr/min. La contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser 60 MPa et la torsion ne doit pas dépasser 0,5° par m de longueur. Trouvez le plus petit diamètre d qui respecte les deux limites.

P = 5 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 0σy​ = −40τxy​ = 40MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 0 MPa, σᵧ = −40 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = 0 MPaσy = −40 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 60 mm supporte un effort de compression axial de 30 kN ainsi qu’un couple de 500 N·m. À la surface de l’arbre, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 60 mmF = −30 kNT = 500 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12300 mm200 mmØ25Ø30δ = 0,3 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 300 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en bronze (diamètre 30 mm, longueur 200 mm, E = 110 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,3 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatronçon 2: bronze, Ø30 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 25 mmAcier1,5 mØ 20 mmAluminium1 mP = 40 kN

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

P = 40 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 1,5 m, acier (E = 200 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 m25 × 100 mmsection

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

L = 2 mE = 200 GPa (acier)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 60 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. 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 = 80 kN/mζ = 0,35m = 80 kg

Une masse de 80 kg sur un ressort de raideur 80 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,35. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 80 kgk = 80 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 100k2​ = 80m = 20 kg

Une masse de 20 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 100 kN/m et k₂ = 80 kN/m. La masse reste horizontale. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T1 = 24,7 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/303,7 = 24,7 N·m

Réponse

T1 = 24,7 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 679,7 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 = 1450·16/32 = 725 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 725·45/48 = 679,7 rpm

Réponse

nout = 679,7 rpm

rapport total = 2,133 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 4,503 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 250·1000·2000/(80000·79522) = 0,0786 rad
φ = 0,0786·180/π = 4,503°

Réponse

φ = 4,503°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 26,11 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 5000/157,1 = 31,83 N·m

Diamètre pour la résistance

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
dτ = ∛(16·31831/(π·60)) = 13,93 mm

Diamètre pour la rigidité

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·31831/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 26,11 mm

Diamètre déterminant

Les deux limites doivent être respectées, donc c’est le plus grand diamètre qui est déterminant.

d = max(13,93, 26,11) = 26,11 mm

Réponse

d = 26,11 mm

Ici, c’est la rigidité qui est déterminante.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 44,72 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 = √(((0 − −40)/2)² + 40²) = 44,72 MPa

Réponse

τmax = 44,72 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 7,623 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 = −30000/(π·60²/4) = −30000/2827 = −10,61 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·60³) = 11,79 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = −5,305 MPa
R = √((−5,305)² + 11,79²) = 12,93 MPa
σ1 = C + R = 7,623 MPa
σ2 = C − R = −18,23 MPa

Réponse

σ1 = 7,623 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 53,31 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 = 490,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·706,9) = 2,572 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,3/5,628 × 10⁻⁶ = 53305 N = 53,31 kN

Réponse

P = 53,31 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 2,43 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 = 81,49 MPa
σ2 = 127,3 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 81,49·1500/200000 = 0,6112 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 127,3·1000/70000 = 1,819 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,43 mm

Réponse

δ = 2,43 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 16,06 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·2000 = 4000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/4000² = 16064 N = 16,06 kN

Réponse

Pcr = 16,06 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 100,7 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 = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/15 = 140

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Réponse

σcr = 100,7 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 4,715 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 = √(80000/80) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,35²) = 4,715 Hz

Réponse

fd = 4,715 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 180 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 = 100 + 80 = 180 kN/m

Réponse

keq = 180 kN/m

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