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​ = 18N2​ = 40

Un moteur de 1,5 kW tournant à 1450 rpm entraîne un pignon de 18 dents, qui engrène avec une roue de 40 dents. Négligez les pertes. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 40η = 100%
T2 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 24B = 32C = 12D = 72

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (24 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 960 rpm, entraîne la roue B (32 dents). La roue C (12 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (72 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 960 rpmA = 24B = 32C = 12D = 72
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d = 15 mmT = 40 N·m200 mmφ = 2,36°

Lors d’un essai de torsion, une éprouvette pleine de diamètre 15 mm est soumise à un couple de 40 N·m. Les deux extrémités d’une longueur de mesure de 200 mm tournent de 2,36° l’une par rapport à l’autre (le matériau est encore élastique). Trouvez le module de cisaillement G du matériau.

T = 40 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 2,36°
G = GPa
4.Torsion des arbresDifficile
d = 40 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 400 N·mABC1,5 m1 m

Un arbre plein en aluminium de diamètre 40 mm est encastré en A. Un couple de 100 N·m agit en B, à 1,5 m de A, et un couple de 400 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 1 m plus loin. Trouvez la valeur absolue de l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

d = 40 mmTB = 100 N·mTC = 400 N·mAB = 1,5 mBC = 1 mG = 26 GPa
φC = °
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 70σy​ = −60MPaτxy​ = ?

En un point, σₓ = 70 MPa et σᵧ = −60 MPa. Jusqu’à quelle valeur la contrainte de cisaillement τxy (en valeur absolue) peut-elle monter avant que la plus grande contrainte principale atteigne 130 MPa ?

σx = 70 MPaσy = −60 MPaσ1 = 130 MPa
τxy = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 120σy​ = −30τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 120 MPa, σᵧ = −30 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 45° dans le sens horaire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = 120 MPaσy = −30 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
250 kNØ40110 GPaØ120/60300 mmδ = ?

Une tige en acier (diamètre 40 mm, E = 200 GPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en bronze (diamètre extérieur 120 mm, diamètre intérieur 60 mm, E = 110 GPa). Les deux mesurent 300 mm de long et sont comprimés ensemble entre des plaques rigides par 250 kN. Trouvez le raccourcissement δ.

P = 250 kNbarre: Ø40 mm, E = 200 GPatube: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmCuivre0,5 mØ 12 mmAcier2 mP = 105 kN

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez la contrainte normale maximale σmax dans la barre.

P = 105 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 0,5 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 2 m, acier (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 m30 × 80 mmsection

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

L = 2 mE = 200 GPa (acier)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 6 md = 30 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré aux deux extrémités. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx40 mm3 cycles27,4 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 40 mm est suivi, 3 cycles plus tard, d’un pic de 27,4 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 40 mmx3 = 27,4 mmn = 3
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 15k2​ = 15k3​ = 40m = 5 kg

Une masse de 5 kg est suspendue au ressort k₃ = 40 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 15 kN/m et k₂ = 15 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 = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 21,95 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/151,8 = 9,879 N·m

Couple de sortie

T2 = 9,879·40/18·1 = 21,95 N·m

Réponse

T2 = 21,95 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 120 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 = 960·24/32 = 720 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 720·12/72 = 120 rpm

Réponse

nout = 120 rpm

rapport total = 8 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: G = 39,08 GPa

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 polaire et angle

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 2,36·π/180 = 0,04119 rad

Module de cisaillement

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(4970·0,04119) = 39078 MPa
G = 39,08 GPa

Réponse

G = 39,08 GPa

Pour comparaison : acier ≈ 80 GPa, laiton ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Torsion des arbres

Réponse: φC = 7,453 °

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 = 400 N·m
TAB = TC − TB = 400 − 100 = 300 N·m

Torsion de chaque tronçon

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 300000·1500/(26000·251327) = 0,06887 rad
φBC = 400000·1000/(26000·251327) = 0,06121 rad

Torsion de l’extrémité C

φC = 0,06887 + 0,06121 = 0,1301 rad → |φC| = 7,453°

Réponse

φC = 7,453°
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τxy = 106,8 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 = (70 + (−60))/2 = 5 MPa
R = σ1 − C = 130 − 5 = 125 MPa
στxyCσ1​σ2​

Contrainte de cisaillement

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(125² − 65²) = 106,8 MPa

Réponse

τxy = 106,8 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = 75 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 = −75·−1 + 30·0 = 75 MPa

Réponse

τθ = 75 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,06332 mm

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(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·8482 = 1,184 × 10⁹ N

Raccourcissement

δ = 250000·300/1,184 × 10⁹ = 0,06332 mm

Réponse

δ = 0,06332 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 928,4 MPa

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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 83,56 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Contrainte maximale

Le tronçon le plus fin a la plus petite aire, donc il porte la plus grande contrainte.

σmax = 928,4 MPa

Réponse

σmax = 928,4 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 88,83 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·2000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/2000² = 88826 N = 88,83 kN

Réponse

Pcr = 88,83 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 4,318 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Réponse

σcr = 4,318 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,02007

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(40/27,4) = 0,1261

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1261/√(39,48 + 0,0159) = 0,02007

Réponse

ζ = 0,02007
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 9,319 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 = 15 + 15 = 30 kN/m
keq = 30·40/(30 + 40) = 17,14 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(17143/5) = 58,55 rad/s
fn = 58,55/(2π) = 9,319 Hz

Réponse

fn = 9,319 Hz

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