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​ = 60N2​ = 72

Un motore da 4 kW che gira a 1440 rpm aziona un pignone con 60 denti, che ingrana con una ruota con 72 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 97 %. Trova il momento torcente in uscita T2 sull’albero della ruota.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 60N2 = 72η = 97%
T2 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 1000 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 120 mm a 1450 giri/min a una puleggia da 500 mm; gli assi distano 1000 mm. Il coefficiente di attrito è 0,25 e la tensione sul lato teso non può superare 1500 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 120 mmn1 = 1450 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsione degli alberiMedia
d = ?T = 750 N·mL = 1 m

Un albero pieno in ottone lungo 1 m è sollecitato da un momento torcente di 750 N·m. L’angolo di torsione tra le sue estremità non deve superare 1°. Trova il diametro minimo d che rispetta questo limite.

T = 750 N·mL = 1 mG = 39 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 60 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 200 N·mABC2 m1 m

Un albero pieno in alluminio di diametro 60 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 250 N·m agisce in B, a 2 m da A, e un momento torcente di 200 N·m nello stesso verso agisce all’estremo libero C, 1 m più avanti. Trova il modulo dell’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

d = 60 mmTB = 250 N·mTC = 200 N·mAB = 2 mBC = 1 mG = 26 GPa
φC = °
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 110σy​ = 10MPaτxy​ = ?

Un punto ha σₓ = 110 MPa e σᵧ = 10 MPa. Quanto può diventare grande la tensione tangenziale τxy (in modulo) prima che la tensione principale massima raggiunga 140 MPa?

σx = 110 MPaσy = 10 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie superiore dell’albero

Un albero pieno di diametro 50 mm porta un momento flettente di 1000 N·m insieme a un momento torcente di 1500 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione principale massima σ1.

d = 50 mmM = 1000 N·mT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 25 mmAcciaio3 mP = 110 kN

Trova l’allungamento δ della barra di acciaio sotto il carico assiale.

P = 110 kNd = 25 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
40 kN12300 mm300 mmØ25Ø30σ2​ = ?

Un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 300 mm, E = 200 GPa) e un tratto di ottone (diametro 30 mm, lunghezza 300 mm, E = 100 GPa) sono uniti testa a testa e fissati tra due pareti rigide. Un carico assiale di 40 kN agisce nella giunzione, verso il tratto 2. Trova il modulo della tensione σ2 nel tratto 2.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatratto 2: ottone, Ø30 mm, 300 mm, E = 100 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 6 md = 40 mmsezione trasversale

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

L = 6 mE = 200 GPa (acciaio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 90 kNL = 2,5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incernierata a entrambi gli estremi. Deve portare 90 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 90 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx25 mm1 ciclo9,6 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 25 mm segue, un ciclo dopo, un picco di 9,6 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 25 mmx1 = 9,6 mmn = 1
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 10k2​ = 80m = 5 kg

Una massa di 5 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 10 kN/m e k₂ = 80 kN/m. La massa resta orizzontale. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T2 = 30,88 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150,8 = 26,53 N·m

Momento torcente in uscita

T2 = 26,53·72/60·0,97 = 30,88 N·m

Risposta

T2 = 30,88 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 6,81 kW

Trasmissioni a cinghia: senza slittamento, entrambe le pulegge hanno la stessa velocità periferica v = π·d·n/60, quindi n₁·d₁ = n₂·d₂ e il rapporto di velocità è d₂/d₁. Lo slittamento s rende la puleggia condotta un po’ più lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potenza trasmessa è P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensione sul lato teso e T₂ sul lato lento. L’attrito limita il rapporto tra le tensioni: T₁/T₂ = eμθ, dove θ è l’angolo di avvolgimento in radianti sulla puleggia più piccola; per una cinghia aperta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con interasse C.

Angolo di avvolgimento

θ = 2,759 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e0,6898 = 1,993, T₂ = 1500/1,993 = 752,5 N

Potenza

P = (1500 − 752,5)·9,111 = 6,81 kW

Risposta

P = 6,81 kW
3.Torsione degli alberi

Risposta: d = 57,88 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 d’inerzia polare richiesto

T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·1000/(39000·0,01745) = 1,102 × 10⁶ mm⁴

Diametro

d = (32J/π)1/4 = 57,88 mm

Risposta

d = 57,88 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

4.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 1,905 °

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 torcenti interni

Verso di TC assunto come positivo.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC + TB = 200 + 250 = 450 N·m

Torsione di ciascun tratto

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 450000·2000/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,02721 rad
φBC = 200000·1000/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,006046 rad

Torsione dell’estremo C

φC = 0,02721 + 0,006046 = 0,03325 rad → |φC| = 1,905°

Risposta

φC = 1,905°
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τxy = 62,45 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.

Raggio richiesto

C = (110 + 10)/2 = 60 MPa
R = σ1 − C = 140 − 60 = 80 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensione tangenziale

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(80² − 50²) = 62,45 MPa

Risposta

τxy = 62,45 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σ1 = 114,2 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 = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·50³) = 81,49 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 40,74 MPa
R = √(40,74² + 61,12²) = 73,45 MPa
σ1 = C + R = 114,2 MPa
σ2 = C − R = −32,71 MPa

Risposta

σ1 = 114,2 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 3,361 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 110·1000/490,9 = 224,1 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for acciaio = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 224,1/200000 = 0,00112 = 1120 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,00112·3000 mm = 3,361 mm

Risposta

δ = 3,361 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σ2 = 23,69 MPa

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.

Rigidezze

k₁ = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 100000·706,9/300 = 235619 N/mm

Quota del tratto 2

F2 = 40000·235619/562869 = 16744 N

Tensione

σ2 = 16744/706,9 = 23,69 MPa (compressione)

Risposta

σ2 = 23,69 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 27,56 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

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

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/3000² = 27561 N = 27,56 kN

Risposta

Pcr = 27,56 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 83,99 mm

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.

Carico critico richiesto

Pcr = n·P = 3·90000 = 270000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 83,99 mm

Risposta

d = 83,99 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 119,1, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,1506

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 = (1/1)·ln(25/9,6) = 0,9571

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9571/√(39,48 + 0,9161) = 0,1506

Risposta

ζ = 0,1506
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 21,35 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 affiancate hanno la stessa deformazione e sommano le loro forze, quindi le rigidezze si sommano semplicemente: k = k1 + k2.

keq = 10 + 80 = 90 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(90000/5) = 134,2 rad/s
fn = 134,2/(2π) = 21,35 Hz

Risposta

fn = 21,35 Hz

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