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​ = 20N2​ = 60

Un moteur de 11 kW tournant à 1440 rpm entraîne un pignon de 20 dents, qui engrène avec une roue de 60 dents. L’engrenage a un rendement de 98 %. Trouvez le couple de sortie T2 sur l’arbre de la roue.

P = 11 kWn1 = 1440 rpmN1 = 20N2 = 60η = 98%
T2 = N·m
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 12B = 16C = 24D = 45

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (12 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1500 rpm, entraîne la roue B (16 dents). La roue C (24 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 = 1500 rpmA = 12B = 16C = 24D = 45
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
T = 1000 N·md = 50 mmL = 3 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 = 1000 N·md = 50 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 60 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 400 N·mABC0,8 m2 m

Un arbre plein en acier de diamètre 60 mm est encastré en A. Un couple de 750 N·m agit en B, à 0,8 m de A, et un couple de 400 N·m de même sens agit à l’extrémité libre C, 2 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 60 mmTB = 750 N·mTC = 400 N·mAB = 0,8 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 30σy​ = 70τxy​ = 10MPa

Un point d’une plaque mince est en contraintes planes : σₓ = 30 MPa, σᵧ = 70 MPa et τₓᵧ = 10 MPa, avec σz = 0. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale absolue τabs en ce point (en considérant tous les plans dans l’espace).

σx = 30 MPaσy = 70 MPaτxy = 10 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −50σy​ = 0τxy​ = 40MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = 0 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 15° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 0 MPaτxy = 40 MPaθ = 15°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12600 mm300 mmØ30Ø40δ = 0,25 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 30 mm, longueur 600 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en aluminium (diamètre 40 mm, longueur 300 mm, E = 70 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,25 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatronçon 2: aluminium, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 30 mmLaiton1 mØ 20 mmLaiton0,5 mP = 20 kN

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

P = 20 kNtronçon 1 : Ø30 mm, 1 m, laiton (E = 100 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 0,5 m, laiton (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 1 md = 30 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 = 1 mE = 200 GPa (acier)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 40 mmsection

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

L = 3 mE = 200 GPa (acier)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 15 kN/mζ = 0,45m = 50 kg

Une masse de 50 kg sur un ressort de raideur 15 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,45. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 50 kgk = 15 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 12k2​ = 50m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 12 kN/m et k₂ = 50 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: T2 = 214,5 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/150,8 = 72,95 N·m

Couple de sortie

T2 = 72,95·60/20·0,98 = 214,5 N·m

Réponse

T2 = 214,5 N·m
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 600 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 = 1500·12/16 = 1125 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 1125·24/45 = 600 rpm

Réponse

nout = 600 rpm

rapport total = 2,5 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 3,502 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·3000/(80000·613592) = 0,06112 rad
φ = 0,06112·180/π = 3,502°

Réponse

φ = 3,502°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 27,12 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.

Couples internes

Sens de TC pris comme positif.

TBC = TC = 400 N·m
TAB = TC + TB = 400 + 750 = 1150 N·m

Contrainte de cisaillement maximale

Le tronçon dont le couple interne est le plus grand a la plus grande contrainte (même diamètre).

|T|max = 1150 N·m
τmax = 16·1,15 × 10⁶/(π·60³) = 27,12 MPa

Réponse

τmax = 27,12 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τabs = 36,18 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. Dans l’espace, la contrainte de cisaillement maximale absolue vaut (σmax − σmin)/2 sur les trois contraintes principales ; en contraintes planes, la troisième est nulle.

στxyCσ1​σ2​

Contraintes principales dans le plan

C = 50 MPa, R = √((−20)² + 10²) = 22,36 MPa
σ1 = 72,36 MPa, σ2 = 27,64 MPa, σz = 0

Le plus grand des trois cercles

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(44,72, 72,36, 27,64)/2 = 36,18 MPa

Réponse

τabs = 36,18 MPa

Ici, c’est le cercle hors plan qui est déterminant : le maximum absolu est supérieur au maximum dans le plan R.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = 47,14 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 = −−25·0,5 + 40·0,866 = 47,14 MPa

Réponse

τθ = 47,14 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 32,66 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 = 706,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·1257) = 3,41 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,25/7,655 × 10⁻⁶ = 32660 N = 32,66 kN

Réponse

P = 32,66 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,6013 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 28,29 MPa
σ2 = 63,66 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 28,29·1000/100000 = 0,2829 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 63,66·500/100000 = 0,3183 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,6013 mm

Réponse

δ = 0,6013 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 19,62 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 = 2·1000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2000² = 19621 N = 19,62 kN

Réponse

Pcr = 19,62 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 87,73 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 = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/10 = 150

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/150² = 87,73 MPa

Réponse

σcr = 87,73 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 2,462 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 = √(15000/50) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,757·√(1 − 0,45²) = 2,462 Hz

Réponse

fd = 2,462 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 7,926 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 = 12 + 50 = 62 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(62000/25) = 49,8 rad/s
fn = 49,8/(2π) = 7,926 Hz

Réponse

fn = 7,926 Hz

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