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
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 125 mm a 2880 giri/min. La tensione è 600 N sul lato teso e 150 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 125 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 24B = 72C = 12D = ?

In un rotismo composto, la ruota A (24 denti) sull’albero di ingresso gira a 1450 rpm e aziona la ruota B (72 denti). La ruota C (12 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D sull’albero di uscita. L’uscita deve girare a 145 rpm. Quanti denti ND deve avere la ruota D?

nin = 1450 rpmA = 24B = 72C = 12nout = 145 rpm
ND =
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = 40, di​ = 28 mmT = 1500 N·mL = 0,8 m

Un albero cavo in alluminio (diametro esterno 40 mm, diametro interno 28 mm, lunghezza 0,8 m) è incastrato a un’estremità e torto da un momento torcente di 1500 N·m all’altra. Trova l’angolo di torsione φ in gradi.

T = 1500 N·mdo = 40 mmdi = 28 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 60 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 750 N·mABC1,5 m0,8 m

Un albero pieno in alluminio di diametro 60 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 1000 N·m agisce in B, a 1,5 m da A, e un momento torcente di 750 N·m in verso opposto agisce all’estremo libero C, 0,8 m più avanti. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

d = 60 mmTB = 1000 N·mTC = 750 N·mAB = 1,5 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 30σy​ = 50τxy​ = 50MPa

Un punto ha σₓ = 30 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 20° in senso antiorario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 30 MPaσy = 50 MPaτxy = 50 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 160σy​ = 40τxy​ = −40MPa

Un punto di una lastra sottile è in stato piano di tensione: σₓ = 160 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). Il materiale ha una tensione di snervamento di 250 MPa. Trova il coefficiente di sicurezza n nei confronti dello snervamento secondo il criterio di von Mises (energia di distorsione).

σx = 160 MPaσy = 40 MPaτxy = −40 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 25 mmOttone2,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 25 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
80 kN12400 mm500 mmØ20Ø30σ2​ = ?

Un tratto di acciaio (diametro 20 mm, lunghezza 400 mm, E = 200 GPa) e un tratto di bronzo (diametro 30 mm, lunghezza 500 mm, E = 110 GPa) sono uniti testa a testa e fissati tra due pareti rigide. Un carico assiale di 80 kN agisce nella giunzione, verso il tratto 2. Trova il modulo della tensione σ2 nel tratto 2.

tratto 1: acciaio, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatratto 2: bronzo, Ø30 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 md = 60 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 = 1,5 mE = 70 GPa (alluminio)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 2 md = 80 mmsezione trasversale

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

L = 2 mE = 70 GPa (alluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 100 kN/mζ = 0,35m = 80 kg

Una massa di 80 kg su una molla con rigidezza di 100 kN/m ha uno smorzatore viscoso che dà un fattore di smorzamento di 0,35. Trova la frequenza naturale smorzata fd delle sue vibrazioni libere in Hz.

m = 80 kgk = 100 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 40k2​ = 30k3​ = 15m = 50 kg

Una massa di 50 kg è appesa alla molla k₃ = 15 kN/m. L’estremità superiore di k₃ è fissata a una barra rigida appesa a due molle affiancate, k₁ = 40 kN/m e k₂ = 30 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 = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 8,482 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.

Velocità della cinghia

v = 18,85 m/s

Potenza

P = (600 − 150)·18,85 = 8482 W = 8,482 kW

Risposta

P = 8,482 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: ND = 40

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 dell’albero intermedio

nB = nC = 1450·24/72 = 483,3 rpm

Denti della ruota D

ND = C·nC/nout = 12·483,3/145 = 40

Risposta

ND = 40
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 13,85 °

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

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Angolo di torsione

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1,5 × 10⁶·800/(26000·190984) = 0,2417 rad
φ = 0,2417·180/π = 13,85°

Risposta

φ = 13,85°
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 17,68 MPa

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 = 750 N·m
TAB = TC − TB = 750 − 1000 = −250 N·m

Tensione tangenziale massima

Il tratto con il momento torcente interno maggiore ha la tensione maggiore (stesso diametro).

|T|max = 750 N·m
τmax = 16·750000/(π·60³) = 17,68 MPa

Risposta

τmax = 17,68 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 15,52 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.

Equazione di trasformazione per la faccia y′

σy′ = 40 − (−10)·0,766 − 50·0,6428 = 15,52 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = 64,48 MPa, σx′ + σy′ = 80 = σx + σy

Risposta

σy′ = 15,52 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: n = 1,563

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 = 100 MPa, R = 72,11 MPa
σ1 = 172,1 MPa, σ2 = 27,89 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(172,1² − 172,1·27,89 + 27,89²) = 160 MPa
n = 250/160 = 1,563

Risposta

n = 1,563

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

7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 611,2 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 30·1000/490,9 = 61,12 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for ottone = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 61,12/100000 = 0,0006112 = 611,2 µε

Risposta

ε = 611,2 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σ2 = 56,3 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 = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 110000·706,9/500 = 155509 N/mm

Quota del tratto 2

F2 = 80000·155509/312588 = 39799 N

Tensione

σ2 = 39799/706,9 = 56,3 MPa (compressione)

Risposta

σ2 = 56,3 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 195,3 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/1500² = 195340 N = 195,3 kN

Risposta

Pcr = 195,3 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 69,09 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/20 = 100

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Risposta

σcr = 69,09 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fd = 5,271 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.

Frequenza naturale non smorzata

ωn = √(100000/80) = 35,36 rad/s
fn = 35,36/(2π) = 5,627 Hz

Frequenza naturale smorzata

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,627·√(1 − 0,35²) = 5,271 Hz

Risposta

fd = 5,271 Hz
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 2,502 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 = 40 + 30 = 70 kN/m
keq = 70·15/(70 + 15) = 12,35 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(12353/50) = 15,72 rad/s
fn = 15,72/(2π) = 2,502 Hz

Risposta

fn = 2,502 Hz

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