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​ = ?N2​

Due alberi paralleli distano 300 mm. Devono essere collegati da una coppia di ruote dentate cilindriche a denti diritti con modulo di 4 mm e un rapporto di riduzione di 5 : 1. Quanti denti N1 deve avere il pignone?

a = 300 mmm = 4 mmi = 5
N1 =
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 20B = 30C = 16D = 50

In un rotismo composto, la ruota A (20 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 960 rpm, aziona la ruota B (30 denti). La ruota C (16 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (50 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 960 rpmA = 20B = 30C = 16D = 50
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
d = 10 mmT = 20 N·m250 mmφ = 3,65°

In una prova di torsione, un provino pieno di diametro 10 mm viene torto da un momento torcente di 20 N·m. Le due estremità di un tratto utile di 250 mm ruotano di 3,65° l’una rispetto all’altra (il materiale è ancora in campo elastico). Trova il modulo di elasticità tangenziale G del materiale.

T = 20 N·md = 10 mmL = 250 mmφ = 3,65°
G = GPa
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 5 kW a 750 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 50 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 5 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 30σy​ = 120τxy​ = 10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 30 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (trazione positiva). Trova l’angolo θp dall’asse x alla direzione della tensione principale massima, compreso tra −90° e 90°.

σx = 30 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −10σy​ = 20τxy​ = 50MPa

Un punto di una lastra sottile è in stato piano di tensione: σₓ = −10 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (σz = 0). Trova la tensione equivalente di von Mises σvM.

σx = −10 MPaσy = 20 MPaτxy = 50 MPa
σvM = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
150 kNØ20100 GPaØ80/50400 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 20 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 80 mm, diametro interno 50 mm, E = 100 GPa). Entrambi sono lunghi 400 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 150 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 150 kNasta: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 25 mmAlluminio1 mØ 12 mmAlluminio0,5 mP = 45 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova l’allungamento totale δ.

P = 45 kNtratto 1: Ø25 mm, 1 m, alluminio (E = 70 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 0,5 m, alluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 6 md = 50 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 = 6 mE = 70 GPa (alluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 125 kNL = 5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e incernierata in cima. Deve portare 125 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 125 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx40 mm4 cicli5,3 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 40 mm segue, 4 cicli dopo, un picco di 5,3 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 5,3 mmn = 4
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 60k2​ = 20m = 10 kg

Una massa di 10 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 60 kN/m e k₂ = 20 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 = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: N1 = 25

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Numero totale di denti

N1 + N2 = 2a/m = 2·300/4 = 150

Ripartisci secondo il rapporto

N1 = 150/(1 + 5) = 25

Risposta

N1 = 25
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 204,8 rpm

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.

Primo stadio

nB = 960·20/30 = 640 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 640·16/50 = 204,8 rpm

Risposta

nout = 204,8 rpm

rapporto totale = 4,688 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: G = 79,95 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·10⁴/32 = 981,7 mm⁴
φ = 3,65·π/180 = 0,0637 rad

Modulo di taglio

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·250/(981,7·0,0637) = 79947 MPa
G = 79,95 GPa

Risposta

G = 79,95 GPa

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

4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 18,65 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 5000/78,54 = 63,66 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·63662/(π·50)) = 18,65 mm

Risposta

d = 18,65 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = 83,74 °

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(2·10, 30 − 120) = 167,5°

Angolo sull’elemento

θp = 83,74°

Risposta

θp = 83,74°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σvM = 90,55 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. 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 = 5 MPa, R = 52,2 MPa
σ1 = 57,2 MPa, σ2 = −47,2 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(57,2² − 57,2·(−47,2) + (−47,2)²) = 90,55 MPa

Risposta

σvM = 90,55 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,1625 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·3063 = 3,691 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 150000·400/3,691 × 10⁸ = 0,1625 mm

Risposta

δ = 0,1625 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 4,152 mm

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 = 91,67 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 91,67·1000/70000 = 1,31 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 397,9·500/70000 = 2,842 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,152 mm

Risposta

δ = 4,152 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 5,888 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·6000 = 6000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/6000² = 5888 N = 5,888 kN

Risposta

Pcr = 5,888 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 82,98 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 = 3·125000 = 375000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·375000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 82,98 mm

Risposta

d = 82,98 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 168,7, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,08016

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(40/5,3) = 0,5053

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5053/√(39,48 + 0,2553) = 0,08016

Risposta

ζ = 0,08016
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 14,24 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 = 60 + 20 = 80 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(80000/10) = 89,44 rad/s
fn = 89,44/(2π) = 14,24 Hz

Risposta

fn = 14,24 Hz

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