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​ = 40N2​ = 80

Un motore da 1,1 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 40 denti, che ingrana con una ruota con 80 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 98 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 40N2 = 80η = 98%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 16B = 60C = 20D = 24

Un motore da 1,1 kW a 1450 rpm aziona la ruota A (16 denti), che ingrana con la ruota B (60 denti). La ruota C (20 denti), sullo stesso albero di B, aziona la ruota D (24 denti) sull’albero di uscita. Ogni ingranamento ha un rendimento del 95%. Trova la coppia in uscita Tout.

P = 1,1 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 60C = 20D = 24ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 750 N·mABC1 m2 m

Un albero pieno a gradini in ottone è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 60 mm e lunghezza 1 m; il tratto BC ha diametro 50 mm e lunghezza 2 m. Un momento torcente di 750 N·m agisce all’estremo libero C. Trova l’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

T = 750 N·md1 = 60 mm, L1 = 1 md2 = 50 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 50 kW a 1000 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 75 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 50 kWN = 1000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 20σy​ = −70τxy​ = −40MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 20 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = 20 MPaσy = −70 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −80σy​ = −40τxy​ = −20MPa

Un punto di una lastra sottile è in stato piano di tensione: σₓ = −80 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0). Il materiale ha una tensione di snervamento di 420 MPa. Trova il coefficiente di sicurezza n nei confronti dello snervamento secondo il criterio di von Mises (energia di distorsione).

σx = −80 MPaσy = −40 MPaτxy = −20 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensione e deformazione assialeMedia
200 kNØ2570 GPaØ80/50300 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di alluminio (diametro esterno 80 mm, diametro interno 50 mm, E = 70 GPa). Entrambi sono lunghi 300 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 200 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 200 kNasta: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 35 mmAcciaio2 mØ 12 mmRame2 mP = 105 kN

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

P = 105 kNtratto 1: Ø35 mm, 2 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 2 m, rame (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 4 m30 × 100 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incernierata a entrambi gli estremi. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 3 md = 40 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 3 mE = 200 GPa (acciaio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx50 mm4 cicli2,4 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 50 mm segue, 4 cicli dopo, un picco di 2,4 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 50 mmx4 = 2,4 mmn = 4
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 20k2​ = 80m = 10 kg

Una massa di 10 kg è appesa a due molle collegate una dopo l’altra (in serie): la molla superiore ha k₁ = 20 kN/m e quella inferiore k₂ = 80 kN/m. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 3,622 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Risposta

T1 = 3,622 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: Tout = 29,42 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·(16/60)·(20/24) = 322,2 rpm
ωout = 2π·322,2/60 = 33,74 rad/s

Potenza e coppia in uscita

Pout = 1100·0,95² = 992,8 W
Tout = Pout/ωout = 992,8/33,74 = 29,42 N·m

Risposta

Tout = 29,42 N·m
3.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 4,457 °

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.

Momenti d’inerzia polari

J1 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torsione di ciascun tratto

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 750000·1000/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,01511 rad
φBC = 750000·2000/(39000·613592) = 0,06268 rad

Torsione totale

φC = 0,01511 + 0,06268 = 0,0778 rad = 4,457°

Risposta

φC = 4,457°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 31,89 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 50000/104,7 = 477,5 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·477465/(π·75)) = 31,89 mm

Risposta

d = 31,89 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = −20,82 °

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·−40, 20 − −70) = −41,63°

Angolo sull’elemento

θp = −20,82°

Risposta

θp = −20,82°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: n = 5,422

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. Criteri di snervamento: von Mises prevede lo snervamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) raggiunge σY; Tresca quando la tensione tangenziale massima assoluta raggiunge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensioni principali

C = −60 MPa, R = 28,28 MPa
σ1 = −31,72 MPa, σ2 = −88,28 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √((−31,72)² − (−31,72)·(−88,28) + (−88,28)²) = 77,46 MPa
n = 420/77,46 = 5,422

Risposta

n = 5,422

n > 1 significa che il punto non si snerva; Tresca è leggermente più conservativo di von Mises.

7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,1919 mm

Due materiali: in serie (uno dopo l’altro) ogni tratto porta la stessa forza e gli allungamenti si sommano: δ = P·Σ L/(E·A). In parallelo (affiancati tra piastre rigide) entrambe le parti si accorciano della stessa quantità, quindi le deformazioni sono uguali: la parte più rigida prende la quota maggiore, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Una barra tenuta tra due pareti rigide con un carico nella giunzione è staticamente indeterminata: i due tratti si dividono il carico in proporzione alla loro rigidezza k = EA/L.

Aree

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·3063 = 3,126 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 200000·300/3,126 × 10⁸ = 0,1919 mm

Risposta

δ = 0,1919 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 928,4 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 109,1 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Tensione massima

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

σmax = 928,4 MPa

Risposta

σmax = 928,4 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 9,715 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·4000 = 4000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/4000² = 9715 N = 9,715 kN

Risposta

Pcr = 9,715 kN
10.Instabilità delle colonne

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

Tensione critica

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

Risposta

σcr = 87,73 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,1199

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 = (1/4)·ln(50/2,4) = 0,7591

Fattore di smorzamento

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

Risposta

ζ = 0,1199
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 6,366 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

Le molle in serie hanno la stessa forza e sommano le loro deformazioni, quindi si combinano come reciproci: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/80 → keq = 20·80/(20 + 80) = 16 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(16000/10) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Risposta

fn = 6,366 Hz

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