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​ = 120 mmd2​ = 300 mm1500 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 120 mm a 1500 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 300 mm con slittamento del 2 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 1500 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 600 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 80 mm a 1500 giri/min a una puleggia da 315 mm; gli assi distano 600 mm. Il coefficiente di attrito è 0,35 e la tensione sul lato teso non può superare 1000 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 315 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
3.Torsione degli alberiMedia
d = ?T = 500 N·mL = 0,5 m

Un albero pieno in alluminio lungo 0,5 m è sollecitato da un momento torcente di 500 N·m. L’angolo di torsione tra le sue estremità non deve superare 1°. Trova il diametro minimo d che rispetta questo limite.

T = 500 N·mL = 0,5 mG = 26 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torsione degli alberiDifficile
d = ?20 kW, 1500 rpm

Un albero pieno in ottone trasmette 20 kW a 1500 rpm. La tensione tangenziale non deve superare 50 MPa e la torsione non deve superare 0,5° per m di lunghezza. Trova il diametro minimo d che soddisfa entrambi i limiti.

P = 20 kWN = 1500 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = −20σy​ = 90τxy​ = 60MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −20 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = −20 MPaσy = 90 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = −30σy​ = 80τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = −30 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 15° in senso antiorario rispetto all’asse x.

σx = −30 MPaσy = 80 MPaτxy = 30 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
P = ?12400 mm500 mmØ30Ø50δ = 0,2 mm

Una barra è fatta di un tratto di acciaio (diametro 30 mm, lunghezza 400 mm, E = 200 GPa) unito testa a testa a un tratto di bronzo (diametro 50 mm, lunghezza 500 mm, E = 110 GPa). È fissata a un’estremità e tirata all’altra. Trova il carico assiale P che la allunga di 0,2 mm in totale.

tratto 1: acciaio, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPatratto 2: bronzo, Ø50 mm, 500 mm, E = 110 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmRame0,5 mØ 12 mmAlluminio1 mP = 25 kN

La barra a gradini è incastrata alla parete e caricata all’estremo libero. Trova la tensione normale massima σmax nella barra.

P = 25 kNtratto 1: Ø30 mm, 0,5 m, rame (E = 117 GPa)tratto 2: Ø12 mm, 1 m, alluminio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 3 m50 × 80 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 = 3 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 120 kNL = 3 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e libera in cima. Deve portare 120 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 120 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm
11.Vibrazioni meccanicheMedia
tx25 mm1 ciclo13,3 mm

In una prova di vibrazioni libere su un sistema massa–molla smorzato, a un picco di spostamento di 25 mm segue, un ciclo dopo, un picco di 13,3 mm. Trova il fattore di smorzamento ζ.

x0 = 25 mmx1 = 13,3 mmn = 1
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 25k2​ = 5m = 100 kg

Una massa di 100 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 25 kN/m e k₂ = 5 kN/m. La massa resta orizzontale. Trova la rigidezza equivalente keq del sistema di molle in kN/m.

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 588 rpm

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 senza slittamento

1500·120/300 = 600 rpm

Con slittamento

n2 = 600·0,98 = 588 rpm

Risposta

n2 = 588 rpm
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 3,881 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 = 2,747 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e0,9616 = 2,616, T₂ = 1000/2,616 = 382,3 N

Potenza

P = (1000 − 382,3)·6,283 = 3,881 kW

Risposta

P = 3,881 kW
3.Torsione degli alberi

Risposta: d = 48,67 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 d’inerzia polare richiesto

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·500/(26000·0,01745) = 550921 mm⁴

Diametro

d = (32J/π)1/4 = 48,67 mm

Risposta

d = 48,67 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 44,18 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 = 20000/157,1 = 127,3 N·m

Diametro per la resistenza

T = 127,3 N·m = 127324 N·mm
dτ = ∛(16·127324/(π·50)) = 23,49 mm

Diametro per la rigidezza

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·127324/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 44,18 mm

Diametro determinante

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

d = max(23,49, 44,18) = 44,18 mm

Risposta

d = 44,18 mm

Qui governa la rigidezza.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 81,39 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 = √(((−20 − 90)/2)² + 60²) = 81,39 MPa

Risposta

τmax = 81,39 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = −7,631 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 = 25 + −55·0,866 + 30·0,5 = −7,631 MPa

Risposta

σθ = −7,631 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: P = 38,88 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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Cedevolezze

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·706,9) = 2,829 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(110000·1963) = 2,315 × 10⁻⁶ mm/N

Carico

P = 0,2/5,144 × 10⁻⁶ = 38877 N = 38,88 kN

Risposta

P = 38,88 kN
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σmax = 221 MPa

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 35,37 MPa
σ2 = 221 MPa

Tensione massima

Il tratto più sottile ha l’area minore, quindi porta la tensione maggiore.

σmax = 221 MPa

Risposta

σmax = 221 MPa
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 45,69 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/6000² = 45693 N = 45,69 kN

Risposta

Pcr = 45,69 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 139,8 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 = 3·120000 = 360000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 139,8 mm

Risposta

d = 139,8 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 171,7, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,09994

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 = (1/1)·ln(25/13,3) = 0,6311

Fattore di smorzamento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6311/√(39,48 + 0,3983) = 0,09994

Risposta

ζ = 0,09994
12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: keq = 30 kN/m

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 = 25 + 5 = 30 kN/m

Risposta

keq = 30 kN/m

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