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​ = 80 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 120 NP = ?

Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 80 mm a 960 giri/min. La tensione è 400 N sul lato teso e 120 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 120 N
P = kW
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 20B = 32C = 15D = 36

In un rotismo composto, la ruota A (20 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 1440 rpm, aziona la ruota B (32 denti). La ruota C (15 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (36 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 1440 rpmA = 20B = 32C = 15D = 36
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 200 N·mABC2,5 m3 m

Un albero pieno a gradini in acciaio è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 40 mm e lunghezza 2,5 m; il tratto BC ha diametro 30 mm e lunghezza 3 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova l’angolo di torsione φC dell’estremo C, in gradi.

T = 200 N·md1 = 40 mm, L1 = 2,5 md2 = 30 mm, L2 = 3 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 50 kW a 1450 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 60 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 50 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 80σy​ = −30τxy​ = −10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 80 MPa, σᵧ = −30 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 = 80 MPaσy = −30 MPaτxy = −10 MPa
θp = °
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
40°D = 1000 mm, t = 10 mm, p = 2 MPap

Un serbatoio cilindrico a parete sottile con diametro interno di 1000 mm e spessore di parete di 10 mm contiene gas a una pressione relativa di 2 MPa. È realizzato con lamiera saldata lungo una cordatura elicoidale a 40° rispetto all’asse del cilindro. Trova la tensione normale σn che agisce attraverso la cordatura di saldatura.

D = 1000 mmt = 10 mmp = 2 MPaα = 40°
σn = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
50 kNØ20110 GPaØ120/70300 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 20 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di bronzo (diametro esterno 120 mm, diametro interno 70 mm, E = 110 GPa). Entrambi sono lunghi 300 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 50 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 50 kNasta: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 25 mmAcciaio2 mØ 16 mmAlluminio2 mP = 20 kN

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

P = 20 kNtratto 1: Ø25 mm, 2 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø16 mm, 2 m, alluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 5 md = 80 mmsezione trasversale

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

L = 5 mE = 70 GPa (alluminio)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 5 md = 80 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incernierata a entrambi gli estremi. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 80 kN/mc = 220 N·s/mm = 15 kg

Una massa di 15 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 80 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 220 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 15 kgk = 80 kN/mc = 220 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 12k2​ = 15m = 5 kg

Una massa di 5 kg è appesa a due molle collegate una dopo l’altra (in serie): la molla superiore ha k₁ = 12 kN/m e quella inferiore k₂ = 15 kN/m. Trascura lo smorzamento e le masse delle molle. Trova la frequenza naturale fn delle vibrazioni verticali in Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 1,126 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.

Velocità della cinghia

v = 4,021 m/s

Potenza

P = (400 − 120)·4,021 = 1126 W = 1,126 kW

Risposta

P = 1,126 kW
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 375 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 = 1440·20/32 = 900 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 900·15/36 = 375 rpm

Risposta

nout = 375 rpm

rapporto totale = 3,84 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φC = 6,829 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torsione di ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·2500/(80000·251327) = 0,02487 rad
φBC = 200000·3000/(80000·79522) = 0,09431 rad

Torsione totale

φC = 0,02487 + 0,09431 = 0,1192 rad = 6,829°

Risposta

φC = 6,829°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 30,35 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 50000/151,8 = 329,3 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·329286/(π·60)) = 30,35 mm

Risposta

d = 30,35 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: θp = −5,152 °

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, 80 − −30) = −10,3°

Angolo sull’elemento

θp = −5,152°

Risposta

θp = −5,152°

Gli angoli positivi sono in senso antiorario.

6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σn = 79,34 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. Cilindro a parete sottile: tensione circonferenziale σh = pr/t e tensione assiale σa = pr/(2t); queste sono le tensioni principali nella parete.

Tensioni nella parete

r = 1000/2 = 500 mm
σh = pr/t = 2·500/10 = 100 MPa
σa = pr/(2t) = 50 MPa

Trasforma sulla cordatura

Prendi x lungo l’asse (σa) e y in direzione circonferenziale (σh). La normale alla cordatura forma 90° − α con l’asse.

σn = 50·sin²40° + 100·cos²40° = 79,34 MPa

Risposta

σn = 79,34 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,01698 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(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·7461 = 8,836 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 50000·300/8,836 × 10⁸ = 0,01698 mm

Risposta

δ = 0,01698 mm
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 3,249 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 40,74 MPa
σ2 = 99,47 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 40,74·2000/200000 = 0,4074 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 99,47·2000/70000 = 2,842 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,249 mm

Risposta

δ = 3,249 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 113,4 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/3500² = 113394 N = 113,4 kN

Risposta

Pcr = 113,4 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 31,58 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/20 = 250

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31,58 MPa

Risposta

σcr = 31,58 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,1004

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·√(80000·15) = 2191 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 220/2191 = 0,1004

Risposta

ζ = 0,1004

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

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 5,812 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 = 1/12 + 1/15 → keq = 12·15/(12 + 15) = 6,667 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(6667/5) = 36,51 rad/s
fn = 36,51/(2π) = 5,812 Hz

Risposta

fn = 5,812 Hz

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