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 81 mm. Devono essere collegati da una coppia di ruote dentate cilindriche a denti diritti con modulo di 2 mm e un rapporto di riduzione di 3,5 : 1. Quanti denti N2 deve avere la ruota?

a = 81 mmm = 2 mmi = 3,5
N2 =
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm2880 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 150 mm a 2880 giri/min a una puleggia da 300 mm; gli assi distano 800 mm. Il coefficiente di attrito è 0,35 e la tensione sul lato teso non può superare 1200 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 150 mmn1 = 2880 rpmd2 = 300 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 1200 N
P = kW
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = ?T = 2000 N·m

Un albero cavo deve sopportare un momento torcente di 2000 N·m. Il suo diametro interno deve essere 0,5 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 75 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

T = 2000 N·mdi/do = 0,5τallow = 75 MPa
do = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
do​ = ?5 kW, 1000 rpm

Un albero cavo deve trasmettere 5 kW a 1000 rpm. Il suo diametro interno deve essere 0,75 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 50 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

P = 5 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,75τallow = 50 MPa
do = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −50σy​ = 80τxy​ = −50MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −50 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = −50 MPaσy = 80 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 10σy​ = 60τxy​ = 20MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 10 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 45° in senso antiorario rispetto all’asse x.

σx = 10 MPaσy = 60 MPaτxy = 20 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
Ø 20 mmOttone2 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 20 mmL = 2 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmAcciaio2 mØ 20 mmRame1 mP = 80 kN

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

P = 80 kNtratto 1: Ø30 mm, 2 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø20 mm, 1 m, rame (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 5 m40 × 100 mmsezione trasversale

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

L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 1 md = 30 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e incernierata in cima. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 1 mE = 200 GPa (acciaio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 10 kN/mc = 450 N·s/mm = 80 kg

Una massa di 80 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 10 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 450 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 80 kgk = 10 kN/mc = 450 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 60k2​ = 60m = 50 kg

Una massa di 50 kg è appesa a due molle collegate una dopo l’altra (in serie): la molla superiore ha k₁ = 60 kN/m e quella inferiore k₂ = 60 kN/m. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 50 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: N2 = 63

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 = 2·81/2 = 81

Ripartisci secondo il rapporto

N1 = 81/(1 + 3,5) = 18
N2 = 3,5·18 = 63

Risposta

N2 = 63
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 17,49 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 = 2,954 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e1,034 = 2,812, T₂ = 1200/2,812 = 426,8 N

Potenza

P = (1200 − 426,8)·22,62 = 17,49 kW

Risposta

P = 17,49 kW
3.Torsione degli alberi

Risposta: do = 52,52 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.

Diametro esterno dalla tensione ammissibile

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2 × 10⁶/(π·75·0,9375)) = 52,52 mm
di = 0,5·52,52 = 26,26 mm

Risposta

do = 52,52 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 51,4 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

4.Torsione degli alberi

Risposta: do = 19,23 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 = 5000/104,7 = 47,75 N·m

Diametro esterno dalla tensione ammissibile

T = 47,75 N·m = 47746 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·47746/(π·50·0,6836)) = 19,23 mm
di = 0,75·19,23 = 14,42 mm

Risposta

do = 19,23 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 16,94 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 82,01 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.

στxyCτmax​

Raggio del cerchio di Mohr

τmax = R = √(((−50 − 80)/2)² + −50²) = 82,01 MPa

Risposta

τmax = 82,01 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = 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.

Equazione di trasformazione

σθ = 35 + −25·0 + 20·1 = 55 MPa

Risposta

σθ = 55 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 2387 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 75·1000/314,2 = 238,7 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for ottone = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 238,7/100000 = 0,002387 = 2387 µε

Risposta

ε = 2387 µε
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 3,308 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 113,2 MPa
σ2 = 254,6 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 113,2·2000/200000 = 1,132 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 254,6·1000/117000 = 2,176 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,308 mm

Risposta

δ = 3,308 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 10,53 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·5000 = 10000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/10000² = 10528 N = 10,53 kN

Risposta

Pcr = 10,53 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 226,6 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,7·1000 = 700 mm
KL/r = 700/7,5 = 93,33

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/93,33² = 226,6 MPa

Risposta

σcr = 226,6 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,2516

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·√(10000·80) = 1789 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 450/1789 = 0,2516

Risposta

ζ = 0,2516

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

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 3,898 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 = 1/60 + 1/60 → keq = 60·60/(60 + 60) = 30 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(30000/50) = 24,49 rad/s
fn = 24,49/(2π) = 3,898 Hz

Risposta

fn = 3,898 Hz

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