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​ = 18N2​ = 24

Un motore da 1,1 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 18 denti, che ingrana con una ruota con 24 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 98 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 24η = 98%
T1 = N·m
2.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 16B = 18C = 16D = 45

In un rotismo composto, la ruota A (16 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 1450 rpm, aziona la ruota B (18 denti). La ruota C (16 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (45 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 18C = 16D = 45
nout = rpm
3.Torsione degli alberiMedia
T = 400 N·md = 40 mmL = 0,8 mφ = ?

Un albero pieno di alluminio è incastrato alla parete e torto da un momento T all’estremo libero. Trova l’angolo di torsione φ dell’estremo libero, in gradi.

T = 400 N·md = 40 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = 30 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 100 N·mABC3 m0,8 m

Un albero pieno in acciaio di diametro 30 mm è incastrato in A. Un momento torcente di 500 N·m agisce in B, a 3 m da A, e un momento torcente di 100 N·m nello stesso verso agisce all’estremo libero C, 0,8 m più avanti. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

d = 30 mmTB = 500 N·mTC = 100 N·mAB = 3 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 80σy​ = −10τxy​ = 30MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 80 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (trazione positiva). Trova la massima tensione tangenziale nel piano τmax.

σx = 80 MPaσy = −10 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 70σy​ = 120τxy​ = 10MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 70 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 25° in senso antiorario rispetto all’asse x.

σx = 70 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensione e deformazione assialeMedia
P = ?12500 mm500 mmØ25Ø30δ = 0,25 mm

Una barra è fatta di un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 500 mm, E = 200 GPa) unito testa a testa a un tratto di ottone (diametro 30 mm, lunghezza 500 mm, E = 100 GPa). È fissata a un’estremità e tirata all’altra. Trova il carico assiale P che la allunga di 0,25 mm in totale.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatratto 2: ottone, Ø30 mm, 500 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensione e deformazione assialeDifficile
Ø 30 mmAcciaio1,5 mØ 16 mmRame2 mP = 105 kN

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

P = 105 kNtratto 1: Ø30 mm, 1,5 m, acciaio (E = 200 GPa)tratto 2: Ø16 mm, 2 m, rame (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1 m25 × 60 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 = 1 mE = 70 GPa (alluminio)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 6 md = 25 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 = 6 mE = 200 GPa (acciaio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrazioni meccanicheMedia
k = 25 kN/mc = 850 N·s/mm = 80 kg

Una massa di 80 kg è sostenuta da una molla con rigidezza di 25 kN/m e da uno smorzatore viscoso con coefficiente di smorzamento di 850 N·s/m. Trova il fattore di smorzamento ζ.

m = 80 kgk = 25 kN/mc = 850 N·s/m
ζ =
12.Vibrazioni meccanicheDifficile
k1​ = 30k2​ = 100m = 50 kg

Una massa di 50 kg è appesa a due molle affiancate (in parallelo), con rigidezze k₁ = 30 kN/m e k₂ = 100 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 = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Soluzioni

1.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 3,622 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Risposta

T1 = 3,622 N·m
2.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 458,3 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 = 1450·16/18 = 1289 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 1289·16/45 = 458,3 rpm

Risposta

nout = 458,3 rpm

rapporto totale = 3,164 : 1

3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 2,806 °

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

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Angolo di torsione

φ = TL/(GJ) = 400·1000·800/(26000·251327) = 0,04897 rad
φ = 0,04897·180/π = 2,806°

Risposta

φ = 2,806°
4.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 113,2 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 = 600 N·m

Tensione tangenziale massima

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

|T|max = 600 N·m
τmax = 16·600000/(π·30³) = 113,2 MPa

Risposta

τmax = 113,2 MPa
5.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τmax = 54,08 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 = √(((80 − −10)/2)² + 30²) = 54,08 MPa

Risposta

τmax = 54,08 MPa
6.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = 86,59 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 = 95 + −25·0,6428 + 10·0,766 = 86,59 MPa

Risposta

σθ = 86,59 MPa
7.Tensione e deformazione assiale

Risposta: P = 20,55 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 = 490,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Cedevolezze

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(100000·706,9) = 7,074 × 10⁻⁶ mm/N

Carico

P = 0,25/1,217 × 10⁻⁵ = 20548 N = 20,55 kN

Risposta

P = 20,55 kN
8.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 10,04 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 148,5 MPa
σ2 = 522,2 MPa

Somma gli allungamenti dei tratti

δ1 = σ1L1/E1 = 148,5·1500/200000 = 1,114 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 522,2·2000/117000 = 8,927 mm
δ = δ1 + δ2 = 10,04 mm

Risposta

δ = 10,04 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 110,2 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/700² = 110152 N = 110,2 kN

Risposta

Pcr = 110,2 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 4,371 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/6,25 = 672

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/672² = 4,371 MPa

Risposta

σcr = 4,371 MPa
11.Vibrazioni meccaniche

Risposta: ζ = 0,3005

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·√(25000·80) = 2828 N·s/m

Fattore di smorzamento

ζ = c/cc = 850/2828 = 0,3005

Risposta

ζ = 0,3005

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

12.Vibrazioni meccaniche

Risposta: fn = 8,115 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 = 30 + 100 = 130 kN/m

Frequenza naturale

ωn = √(130000/50) = 50,99 rad/s
fn = 50,99/(2π) = 8,115 Hz

Risposta

fn = 8,115 Hz

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