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​ = 24N2​ = 40

Un motore da 3 kW che gira a 1500 rpm aziona un pignone con 24 denti, che ingrana con una ruota con 40 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 97 %. Trova il momento torcente in uscita T2 sull’albero della ruota.

P = 3 kWn1 = 1500 rpmN1 = 24N2 = 40η = 97%
T2 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 1000 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 200 mm a 1500 giri/min a una puleggia da 400 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 = 200 mmn1 = 1500 rpmd2 = 400 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsione degli alberiMedia
do​ = ?T = 100 N·m

Un albero cavo deve sopportare un momento torcente di 100 N·m. Il suo diametro interno deve essere 0,5 volte il diametro esterno, e la tensione tangenziale non deve superare 50 MPa. Trova il diametro esterno minimo do.

T = 100 N·mdi/do = 0,5τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 20 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 100 N·mABC1,2 m0,8 m

Un albero pieno in alluminio di diametro 20 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 500 N·m agisce in B, a 1,2 m da A, e un momento torcente di 100 N·m in verso opposto agisce all’estremo libero C, 0,8 m più avanti. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

d = 20 mmTB = 500 N·mTC = 100 N·mAB = 1,2 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σy​ = −40MPaτxy​ = ?

Un punto ha σₓ = 0 MPa e σᵧ = −40 MPa. Quanto può diventare grande la tensione tangenziale τxy (in modulo) prima che la tensione principale massima raggiunga 15 MPa?

σx = 0 MPaσy = −40 MPaσ1 = 15 MPa
τxy = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​τxy​superficie superiore dell’albero

Un albero pieno di diametro 40 mm porta un momento flettente di 300 N·m insieme a un momento torcente di 500 N·m. Sulla superficie superiore, dove la tensione di flessione è di trazione e massima, trova la tensione principale massima σ1.

d = 40 mmM = 300 N·mT = 500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
300 kNØ25100 GPaØ80/60500 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 80 mm, diametro interno 60 mm, E = 100 GPa). Entrambi sono lunghi 500 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 300 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 300 kNasta: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø2570 GPaØ100/50300 mm

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 200 MPa) sta dentro un tubo di alluminio (diametro esterno 100 mm, diametro interno 50 mm, E = 70 GPa, tensione ammissibile 100 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 m25 × 80 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata a entrambi gli estremi. 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 = 130 kNL = 2 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e incernierata in cima. Deve portare 130 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 130 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 10 kN/mc = 630 N·s/mm = 40 kg

Una massa di 40 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 10 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 630 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 40 kgk = 10 kN/mc = 630 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 15k2​ = 5m = 20 kg

Una massa di 20 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 15 kN/m e k₂ = 5 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 = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/157,1 = 19,1 N·m

Momento torcente in uscita

T2 = 19,1·40/24·0,97 = 30,88 N·m

Risposta

T2 = 30,88 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 12,27 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 = 2,941 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e0,7353 = 2,086, T₂ = 1500/2,086 = 719 N

Potenza

P = (1500 − 719)·15,71 = 12,27 kW

Risposta

P = 12,27 kW
3.Torsione degli alberi

Risposta: do = 22,15 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 = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·50·0,9375)) = 22,15 mm
di = 0,5·22,15 = 11,07 mm

Risposta

do = 22,15 mm

Un albero pieno richiederebbe d = 21,68 mm; quello cavo è un po’ più grande ma molto più leggero.

4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 254,6 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 = 100 N·m
TAB = TC − TB = 100 − 500 = −400 N·m

Tensione tangenziale massima

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

|T|max = 400 N·m
τmax = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa

Risposta

τmax = 254,6 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τxy = 28,72 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 = (0 + (−40))/2 = −20 MPa
R = σ1 − C = 15 − (−20) = 35 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensione tangenziale

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(35² − 20²) = 28,72 MPa

Risposta

τxy = 28,72 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σ1 = 70,27 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) = 32·300000/(π·40³) = 47,75 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cerchio di Mohr

C = σ/2 = 23,87 MPa
R = √(23,87² + 39,79²) = 46,4 MPa
σ1 = C + R = 70,27 MPa
σ2 = C − R = −22,53 MPa

Risposta

σ1 = 70,27 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,4716 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·2199 = 3,181 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 300000·500/3,181 × 10⁸ = 0,4716 mm

Risposta

δ = 0,4716 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 510,5 kN

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·5890 = 5,105 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,001, 0,001429) = 0,001 (acciaio)

Carico massimo

Pmax = 0,001·5,105 × 10⁸ = 510509 N = 510,5 kN

Risposta

Pmax = 510,5 kN
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 127,9 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 = 0,5·1500 = 750 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·104167/750² = 127939 N = 127,9 kN

Risposta

Pcr = 127,9 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 50,64 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 = 2,5·130000 = 325000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·325000·1400²/(π³·200000))^(1/4) = 50,64 mm

Risposta

d = 50,64 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 110,6, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,4981

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·√(10000·40) = 1265 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 630/1265 = 0,4981

Risposta

ζ = 0,4981

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

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 5,033 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 = 15 + 5 = 20 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(20000/20) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Risposta

fn = 5,033 Hz

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