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​N2​ = ?

Deux arbres parallèles sont distants de 67,5 mm. Ils doivent être reliés par un engrenage à denture droite de module 2,5 mm avec un rapport de réduction de 2 : 1. Combien de dents N2 la roue doit-elle avoir ?

a = 67,5 mmm = 2,5 mmi = 2
N2 =
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 12B = 72C = 48D = 60

Un moteur de 5,5 kW à 960 tr/min entraîne la roue A (12 dents), qui engrène avec la roue B (72 dents). La roue C (48 dents), sur le même arbre que B, entraîne la roue D (60 dents) sur l’arbre de sortie. Chaque engrènement a un rendement de 97 %. Trouvez le couple de sortie Tout.

P = 5,5 kWnin = 960 rpmA = 12B = 72C = 48D = 60ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsion des arbresMoyen
T = 250 N·md = 30 mmL = 2,5 mφ = ?

Un arbre plein en laiton 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 = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 10 kW à 750 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 60 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 10 kWN = 750 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 60σy​ = 120τxy​ = −10MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 60 MPa, σᵧ = 120 MPa et τₓᵧ = −10 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = 60 MPaσy = 120 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 50σy​ = −60τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 50 MPa, σᵧ = −60 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 40° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = 50 MPaσy = −60 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12500 mm400 mmØ25Ø50δ = 0,2 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 500 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en aluminium (diamètre 50 mm, longueur 400 mm, E = 70 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,2 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatronçon 2: aluminium, Ø50 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
P = ?Ø40100 GPaØ100/50400 mm

Une tige en acier (diamètre 40 mm, E = 200 GPa, contrainte admissible 200 MPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en laiton (diamètre extérieur 100 mm, diamètre intérieur 50 mm, E = 100 GPa, contrainte admissible 50 MPa). Ils sont comprimés ensemble entre des plaques rigides. Trouvez la plus grande charge Pmax.

barre: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatube: Ø100/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2,5 m20 × 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 70 kNL = 5 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré aux deux extrémités. Il doit porter 70 kN avec un coefficient de sécurité de 2 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 70 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx25 mm4 cycles1,2 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 25 mm est suivi, 4 cycles plus tard, d’un pic de 1,2 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 25 mmx4 = 1,2 mmn = 4
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 20m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue au ressort k₃ = 20 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 12 kN/m et k₂ = 12 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: N2 = 36

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Nombre total de dents

N1 + N2 = 2a/m = 2·67,5/2,5 = 54

Répartir selon le rapport

N1 = 54/(1 + 2) = 18
N2 = 2·18 = 36

Réponse

N2 = 36
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Tout = 386,1 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 = 960·(12/72)·(48/60) = 128 rpm
ωout = 2π·128/60 = 13,4 rad/s

Puissance et couple de sortie

Pout = 5500·0,97² = 5175 W
Tout = Pout/ωout = 5175/13,4 = 386,1 N·m

Réponse

Tout = 386,1 N·m
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 11,55 °

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) = 250·1000·2500/(39000·79522) = 0,2015 rad
φ = 0,2015·180/π = 11,55°

Réponse

φ = 11,55°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 22,11 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·60)) = 22,11 mm

Réponse

d = 22,11 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 31,62 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.

σxyCτmax​

Rayon du cercle de Mohr

τmax = R = √(((60 − 120)/2)² + −10²) = 31,62 MPa

Réponse

τmax = 31,62 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 34,09 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

σθ = −5 + 55·0,1736 + 30·0,9848 = 34,09 MPa

Réponse

σθ = 34,09 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 24,99 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 = 1963 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·1963) = 2,91 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,2/8,003 × 10⁻⁶ = 24990 N = 24,99 kN

Réponse

P = 24,99 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: Pmax = 420,2 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·5890 = 8,404 × 10⁸ N

Déformation déterminante

ε = min(0,001, 0,0005) = 0,0005 (laiton)

Charge maximale

Pmax = 0,0005·8,404 × 10⁸ = 420188 N = 420,2 kN

Réponse

Pmax = 420,2 kN
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 5,895 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·2500 = 2500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/2500² = 5895 N = 5,895 kN

Réponse

Pcr = 5,895 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 54,82 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 = 2·70000 = 140000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·140000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 54,82 mm

Réponse

d = 54,82 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 182,4, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,1199

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 = (1/4)·ln(25/1,2) = 0,7591

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7591/√(39,48 + 0,5763) = 0,1199

Réponse

ζ = 0,1199
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 3,325 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 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·20/(24 + 20) = 10,91 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(10909/25) = 20,89 rad/s
fn = 20,89/(2π) = 3,325 Hz

Réponse

fn = 3,325 Hz

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