Costruzione di macchine: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 12 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Ingranaggi e rotismi

Ruote dentate in presa
n1·N1 = n2·N2
Momento torcente
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potenza
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rotismo composto
rapporto totale = prodotto dei rapporti dei singoli stadi

Torsione degli alberi

Tensione tangenziale
τ = T·r/J
Albero pieno
J = πd⁴/32
Albero cavo
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angolo di torsione
φ = TL/(GJ)
Potenza
P = T·ω = 2πnT/60

Metodo

  1. Trova il momento d’inerzia polare: J = πd⁴/32 per un albero pieno.
  2. Tensione tangenziale in superficie: τ = T·r/J, con r il raggio esterno.
  3. Angolo di torsione: φ = TL/(GJ) in radianti.
  4. Se è data la potenza, trova prima il momento torcente con P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Centro
C = (σx + σy)/2
Raggio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensioni principali
σ1,2 = C ± R
Direzione principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Piano inclinato
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metodo

  1. Calcola il centro del cerchio di Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcola il raggio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Le tensioni principali sono C ± R e la massima tensione tangenziale nel piano è R.
  4. Gli angoli sul cerchio sono il doppio degli angoli sull’elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensione e deformazione assiale

Tensione normale
σ = F/A
Deformazione
ε = ΔL/L
Legge di Hooke
σ = E·ε
Allungamento
ΔL = FL/(EA)
Deformazione termica
εT = α·ΔT

Instabilità delle colonne

Carico critico di Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficiente di lunghezza libera
K = 1 cerniera–cerniera, 0,5 incastro–incastro, 0,7 incastro–cerniera, 2 incastro–libero
Tensione critica
σcr = Pcr/A
Snellezza
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrazioni meccaniche

Frequenza naturale
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Dalla freccia statica
ωn = √(g/δst)
Smorzamento critico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fattore di smorzamento
ζ = c/cc
Frequenza smorzata
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logaritmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molle in parallelo
k = k1 + k2
Molle in serie
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Esercizi

1.Ingranaggi e rotismiMedia
N1​ = 36N2​ = 60

Un motore da 1,5 kW che gira a 960 rpm aziona un pignone con 36 denti, che ingrana con una ruota con 60 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 96 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 1,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 36N2 = 60η = 96%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 20B = 24C = 36D = 72

Un motore da 2,2 kW a 1450 rpm aziona la ruota A (20 denti), che ingrana con la ruota B (24 denti). La ruota C (36 denti), sullo stesso albero di B, aziona la ruota D (72 denti) sull’albero di uscita. Ogni ingranamento ha un rendimento del 96%. Trova la coppia in uscita Tout.

P = 2,2 kWnin = 1450 rpmA = 20B = 24C = 36D = 72ηmesh = 96%
Tout = N·m
3.Torsione degli alberiMedia
d = 20 mmT = 30 N·m250 mmφ = 0,7°

In una prova di torsione, un provino pieno di diametro 20 mm viene torto da un momento torcente di 30 N·m. Le due estremità di un tratto utile di 250 mm ruotano di 0,7° l’una rispetto all’altra (il materiale è ancora in campo elastico). Trova il modulo di elasticità tangenziale G del materiale.

T = 30 N·md = 20 mmL = 250 mmφ = 0,7°
G = GPa
4.Torsione degli alberiDifficile
d = ?15 kW, 500 rpm

Un albero pieno in alluminio trasmette 15 kW a 500 rpm. La tensione tangenziale non deve superare 75 MPa e la torsione non deve superare 0,75° per m di lunghezza. Trova il diametro minimo d che soddisfa entrambi i limiti.

P = 15 kWN = 500 rpmτallow = 75 MPaθallow = 0,75°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −70σy​ = 50τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −70 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = −70 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie dell’albero

Un albero pieno di diametro 40 mm porta una forza assiale di compressione di 90 kN insieme a un momento torcente di 200 N·m. Sulla superficie dell’albero, trova la tensione tangenziale massima nel piano τmax.

d = 40 mmF = −90 kNT = 200 N·m
τmax = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 16 mmRame2 mP = 85 kN

Trova la deformazione assiale ε nella barra di rame, in microdeformazioni (µε = 10⁻⁶).

P = 85 kNd = 16 mmL = 2 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 25 mmAcciaio0,5 mØ 12 mmAcciaio1,5 mP = 55 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova la tensione normale massima σmax nella barra.

P = 55 kNtratto 1: Ø25 mm, 0,5 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 1,5 m, acciaio (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 3 m25 × 50 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e libera in cima. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 4 md = 40 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e libera in cima. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx20 mm5 cicli4,1 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 20 mm segue, 5 cicli dopo, un picco di 4,1 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 20 mmx5 = 4,1 mmn = 5
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 80k2​ = 40k3​ = 60m = 100 kg

Una massa di 100 kg è appesa alla molla k₃ = 60 kN/m. L’estremità superiore di k₃ è fissata a una barra rigida appesa a due molle affiancate, k₁ = 80 kN/m e k₂ = 40 kN/m; la barra resta orizzontale. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle e della barra. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 100 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 14,92 N·m

Rotismi: le ruote dentate in presa hanno la stessa velocità sui denti, quindi n₁·N₁ = n₂·N₂: la ruota con meno denti gira più veloce. Le ruote calettate sullo stesso albero girano alla stessa velocità. La potenza si trasmette (a meno delle perdite), quindi il momento torcente aumenta quando la velocità diminuisce: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Momento torcente del motore

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/100,5 = 14,92 N·m

Risposta

T1 = 14,92 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: Tout = 32,05 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.

Velocità in uscita

nout = 1450·(20/24)·(36/72) = 604,2 rpm
ωout = 2π·604,2/60 = 63,27 rad/s

Potenza e coppia in uscita

Pout = 2200·0,96² = 2028 W
Tout = Pout/ωout = 2028/63,27 = 32,05 N·m

Risposta

Tout = 32,05 N·m
3.Torsione degli alberi

Risposta: G = 39,08 GPa

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momento d’inerzia polare e angolo

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 0,7·π/180 = 0,01222 rad

Modulo di taglio

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·250/(15708·0,01222) = 39081 MPa
G = 39,08 GPa

Risposta

G = 39,08 GPa

Confronta: acciaio ≈ 80 GPa, ottone ≈ 39 GPa, alluminio ≈ 26 GPa.

4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 54,11 mm

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momento torcente

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Diametro per la resistenza

T = 286,5 N·m = 286479 N·mm
dτ = ∛(16·286479/(π·75)) = 26,89 mm

Diametro per la rigidezza

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·286479/(π·26000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 54,11 mm

Diametro determinante

Entrambi i limiti devono essere rispettati, quindi governa il diametro maggiore.

d = max(26,89, 54,11) = 54,11 mm

Risposta

d = 54,11 mm

Qui governa la rigidezza.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = 76,72 °

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R.

στxyCσ1​σ2​

Angolo sul cerchio

Sul cerchio di Mohr il punto x si trova a un angolo 2θp dall’asse σ; il quadrante dipende dai segni di σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, −70 − 50) = 153,4°

Angolo sull’elemento

θp = 76,72°

Risposta

θp = 76,72°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 39,19 MPa

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R.

Tensioni in superficie

σ = F/A = −90000/(π·40²/4) = −90000/1257 = −71,62 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
στxyCτmax​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = −35,81 MPa
R = √((−35,81)² + 15,92²) = 39,19 MPa

Risposta

τmax = 39,19 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 3613 µε

Legge di Hooke: nel campo elastico σ = E·ε. Combinandola con σ = P/A e ε = δ/L si ottiene δ = PL/(AE).

Tensione

A = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 85·1000/201,1 = 422,8 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for rame = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 422,8/117000 = 0,003613 = 3613 µε

Risposta

ε = 3613 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 486,3 MPa

Elementi caricati assialmente: ogni tratto prismatico segue δ = PL/(AE). Per elementi in serie gli allungamenti si sommano.

Stessa forza in entrambi i tratti

L’estremo libero porta P, quindi ogni sezione della barra porta la stessa forza assiale P. Cambiano solo aree e materiali.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 112 MPa
σ2 = 486,3 MPa

Tensione massima

Il tratto più sottile ha l’area minore, quindi porta la tensione maggiore.

σmax = 486,3 MPa

Risposta

σmax = 486,3 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 3,57 kN

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Un rettangolo sbanda attorno al suo asse debole, usando il cubo della dimensione minore.

Imin = h·b³/12 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/6000² = 3570 N = 3,57 kN

Risposta

Pcr = 3,57 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 3,084 MPa

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Una sezione circolare ha lo stesso I rispetto a ogni asse.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/10 = 800

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3,084 MPa

Risposta

σcr = 3,084 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,05038

Vibrazioni libere di un sistema massa–molla: la pulsazione naturale non smorzata è ωn = √(k/m) in rad/s, e fn = ωn/(2π) in Hz. Uno smorzatore viscoso c dà il fattore di smorzamento ζ = c/cc, con smorzamento critico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema sottosmorzato (ζ < 1) oscilla a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Le molle in parallelo si sommano, k = k₁ + k₂; le molle in serie si sommano come reciproci, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Decremento logaritmico

δ = (1/5)·ln(20/4,1) = 0,3169

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3169/√(39,48 + 0,1005) = 0,05038

Risposta

ζ = 0,05038
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 3,183 Hz

Vibrazioni libere di un sistema massa–molla: la pulsazione naturale non smorzata è ωn = √(k/m) in rad/s, e fn = ωn/(2π) in Hz. Uno smorzatore viscoso c dà il fattore di smorzamento ζ = c/cc, con smorzamento critico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema sottosmorzato (ζ < 1) oscilla a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Le molle in parallelo si sommano, k = k₁ + k₂; le molle in serie si sommano come reciproci, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidezza equivalente

Solo k1 e k2 sono in parallelo. Questa coppia è in serie con k3, quindi combinale come reciproci.

k12 = 80 + 40 = 120 kN/m
keq = 120·60/(120 + 60) = 40 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(40000/100) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Risposta

fn = 3,183 Hz

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