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​ = 15N2​ = 48

Un motore da 5,5 kW che gira a 1450 rpm aziona un pignone con 15 denti, che ingrana con una ruota con 48 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 95 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 5,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 48η = 95%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 24B = 50C = 32D = 60

In un rotismo composto, la ruota A (24 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 960 rpm, aziona la ruota B (50 denti). La ruota C (32 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (60 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 960 rpmA = 24B = 50C = 32D = 60
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 40 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 40 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 = 40 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = ?50 kW, 1500 rpm

Un albero pieno in acciaio trasmette 50 kW a 1500 rpm. La tensione tangenziale non deve superare 60 MPa e la torsione non deve superare 0,5° per m di lunghezza. Trova il diametro minimo d che soddisfa entrambi i limiti.

P = 50 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −60σy​ = 30τxy​ = 30MPa

Un punto ha σₓ = −60 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 20° in senso orario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = −60 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 120σy​ = 80τxy​ = 50MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 120 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 20° in senso orario rispetto all’asse x.

σx = 120 MPaσy = 80 MPaτxy = 50 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 30 mmRame2,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
60 kN12400 mm200 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 400 mm, E = 200 GPa) e un tratto di ottone (diametro 40 mm, lunghezza 200 mm, E = 100 GPa) sono uniti testa a testa e fissati tra due pareti rigide. Un carico assiale di 60 kN agisce nella giunzione, verso il tratto 2. Trova il modulo della tensione σ2 nel tratto 2.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPatratto 2: ottone, Ø40 mm, 200 mm, E = 100 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 m25 × 80 mmsezione trasversale

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 5 kNL = 4 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Deve portare 5 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 5 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 200 kN/mc = 1390 N·s/mm = 15 kg

Una massa di 15 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 200 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 1390 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 15 kgk = 200 kN/mc = 1390 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 40k2​ = 30k3​ = 80m = 20 kg

Una massa di 20 kg è appesa alla molla k₃ = 80 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 = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 36,22 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Risposta

T1 = 36,22 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 245,8 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 = 960·24/50 = 460,8 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 460,8·32/60 = 245,8 rpm

Risposta

nout = 245,8 rpm

rapporto totale = 3,906 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 9,634 °

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·40⁴/32 = 251327 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/(39000·251327) = 0,153 rad

Torsione totale

φC = 0,01511 + 0,153 = 0,1681 rad = 9,634°

Risposta

φC = 9,634°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 46,42 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 50000/157,1 = 318,3 N·m

Diametro per la resistenza

T = 318,3 N·m = 318310 N·mm
dτ = ∛(16·318310/(π·60)) = 30,01 mm

Diametro per la rigidezza

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·318310/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 46,42 mm

Diametro determinante

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

d = max(30,01, 46,42) = 46,42 mm

Risposta

d = 46,42 mm

Qui governa la rigidezza.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 38,76 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′ = −15 − (−45)·0,766 − 30·(−0,6428) = 38,76 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = −68,76 MPa, σx′ + σy′ = −30 = σx + σy

Risposta

σy′ = 38,76 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = 83,18 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

σθ = 100 + 20·0,766 + 50·−0,6428 = 83,18 MPa

Risposta

σθ = 83,18 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 1,058 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 35·1000/706,9 = 49,51 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for rame = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 49,51/117000 = 0,0004232 = 423,2 µε

Allungamento

δ = ε·L = 0,0004232·2500 mm = 1,058 mm

Risposta

δ = 1,058 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σ2 = 34,33 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 = 200000·490,9/400 = 245437 N/mm
k₂ = 100000·1257/200 = 628319 N/mm

Quota del tratto 2

F2 = 60000·628319/873755 = 43146 N

Tensione

σ2 = 43146/1257 = 34,33 MPa (compressione)

Risposta

σ2 = 34,33 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 7,996 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·1500 = 3000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·104167/3000² = 7996 N = 7,996 kN

Risposta

Pcr = 7,996 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 26,8 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 = 2,5·5000 = 12500 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 26,8 mm

Risposta

d = 26,8 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 298,5, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,4013

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.

Smorzamento critico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(200000·15) = 3464 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 1390/3464 = 0,4013

Risposta

ζ = 0,4013

ζ < 1, quindi il sistema è sottosmorzato e oscilla mentre si smorza.

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 6,876 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 = 70·80/(70 + 80) = 37,33 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(37333/20) = 43,2 rad/s
fn = 43,2/(2π) = 6,876 Hz

Risposta

fn = 6,876 Hz

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