9146 Elementi Di Meccanica Applicata e Di Macchine

7/27/2019 9146 Elementi Di Meccanica Applicata e Di Macchine

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APPUNTI DI MECCANICA AGRARIA

Parte prima

Elementi di Meccanica Applicata e di Macchine

Prof. Giampaolo Schillaci

Argomenti:

Capitolo I - Unit di misura e cenni di fisica

Capitolo II - Macchine Forza - RendimentiCapitolo III - Organi di trasmissione del moto

Capitolo IV - Motori termici

ANNO ACCADEMICO 2101-2011


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Dip. GeSA- CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 2/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected]

INDICE

CAPITOLO I .................................................... ............................................................ .................................................... 4

UNIT DI MISURA E CENNI DI FISICA....................................................................................................................4

GRANDEZZE FISICHE E UNIT DI MISURA.......................................................................................................4Lunghezza............................................................ ............................................................ .......................................... 5Tempo..................................... ........................................................... ........................................................... ............. 5Velocit. (v)......................................................... ............................................................ .......................................... 5

Accelerazione. ..................................................... ............................................................ .......................................... 6Radiante .................................................... ............................................................ .................................................... 6Velocit angolare. ......................................................... ........................................................... ................................. 6Periodo......................... ........................................................... ........................................................... ....................... 6Frequenza e velocit di rotazione n. ........................................................... ........................................................... ... 7

Relazioni fra velocit angolare e n ................................................... ........................................................... ............. 7Forza ......................................................... ............................................................ .................................................... 7

Massa ........................................................ ............................................................ .................................................... 8Peso.......... ........................................................... ............................................................ .......................................... 8Pressione................................................... ............................................................ .................................................... 9

Esercizio............. ........................................................... ........................................................... ................................. 9Impulso di una forza e Quantit di moto........................................... ........................................................... ........... 10Massa volumica o densit assoluta. ............................................................ ........................................................... . 10Peso specifico assoluto. .......................................................... ........................................................... ..................... 10Peso specifico assoluto e massa volumica. ........................................................... .................................................. 10

Massa lineica. ..................................................... ............................................................ ........................................ 10Momento di una forza. .................................................. ........................................................... ............................... 10Lavoro di una coppia. ................................................... ........................................................... ............................... 10Potenza di una coppia............................................................. ........................................................... ..................... 10

Lavoro ....................................................... ............................................................ .................................................. 11Potenza......................... ........................................................... ........................................................... ..................... 11

Equivalenza fra kW e CV ........................................................ ........................................................... ..................... 12Esercizio: .................................................. ............................................................ .................................................. 12Energia......................... ........................................................... ........................................................... ..................... 13Equivalenza fra J e kWh...................................... ............................................................ ........................................ 13Calore ....................................................... ............................................................ .................................................. 13

Relazione fra calore e lavoro.................................................. ........................................................... ..................... 13Equivalenza fra J e kgm .......................................................... ........................................................... ..................... 14Equivalenza fra kWh e kcal............. ............................................................ ........................................................... . 14Relazione fra quantit di combustibile, calore lavoro .......................................................... ............................... 14Somma delle energie elettrica e termica ..................................................... ........................................................... . 14

CAPITOLOII..................................................................................................................................................................15

MACCHINE FORZE RENDIMENTI....................................................................................................................15

FORZE RESISTENTI ..................................................... ........................................................... ............................... 15RENDIMENTO.........................................................................................................................................................15

TRASMISSIONE DEL MOTO E RENDIMENTI....................................................................................................16

LE RESISTENZE PASSIVE.....................................................................................................................................18

I PERNI ....................................................... ............................................................ .................................................. 20

CAPITOLO III ........................................................... ............................................................ ........................................ 21

ORGANI DI TRASMISSIONE DEL MOTO ............................................................ .................................................. 21RUOTE DI FRIZIONE ................................................... ........................................................... ............................... 23

RUOTE DENTATE ........................................................ ........................................................... ............................... 23

I GIUNTI...................................................................................................................................................................24CINGHIE...................................................................................................................................................................24


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CATENE ..................................................... ............................................................ .................................................. 25

GIUNTI RIGIDI........................................................................................................................................................26

GIUNTO CARDANICO ........................................................... ........................................................... ..................... 26

DOPPIO GIUNTO CARDANICO............................................................................................................................26

GIUNTO DI OLDHAM .................................................. ........................................................... ............................... 27

LA FRIZIONE...........................................................................................................................................................27

DIFFERENZIALE.....................................................................................................................................................28

IL CAMBIO .......................................................... ............................................................ ........................................ 29

PARALLELOGRAMMA ARTICOLATO ................................................... ........................................................... . 31

BILANCIERE ....................................................... ............................................................ ........................................ 31

MANOVELLISMO DI SPINTA...............................................................................................................................31

CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A RUOTE ........................................................... ..................... 33

CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A CINGOLI ......................................................... ..................... 33VEICOLO A TRASMISSIONE IDRAULICA.........................................................................................................34

VEICOLO A TRASMISSIONE ELETTRICA ....................................................... .................................................. 34

CAPITOLO IV ........................................................... ............................................................ ........................................ 35

MOTORI TERMICI .................................................. ............................................................ ........................................ 35MOTORI PER LA LOCOMOZIONE.......................................................................................................................36

CICLI DEL MOTORE ENDOTERMICO .................................................... ........................................................... . 36

TEMPI (O FASI) DEL MOTORE ENDOTERMICO...............................................................................................37

ELEMENTI DI UN MOTORE ........................................................... ........................................................... ........... 38

TRASFORMAZIONI DI ENERGIA E RENDIMENTI ................................................... ........................................ 39

MOTORI ASPIRATI - MOTORI COMPRESSI - SOVRALIMENTAZIONE........................................................41

REGIME DI ROTAZIONE E VALORE ASSUNTO DAI RENDIMENTI .................................................. ........... 41

PRODUZIONE DI COPPIA E DI POTENZA..........................................................................................................42

CURVE CARATTERISTICHE DEI MOTORI TERMICI.......................................................................................43

CURVE CARATTERISTICHE E FUNZIONAMENTO DEL MOTORE...............................................................44

COMPORTAMENTO DEL MOTORE E VALORI DEI 3 RENDIMENTI.............................................................45

ELASTICITA DI UN MOTORE ........................................................ ........................................................... ........... 45

VALUTAZIONE E SCELTA DI UN MOTORE......................................................................................................46POTENZA MASSIMA DEL MOTORE E POTENZA DI ESERCIZIO..................................................................47

REGIME DI GIRI DEL MOTORE E DELLA PDP ......................................................... ........................................ 47

CO-GENERAZIONE ...................................................... ........................................................... ............................... 47


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Dip. GeSA - CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011 - Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 4/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] I - Unit di misura e cenni di fisica

CAPITOLO I

UNIT DI MISURA E CENNI DI FISICA

Leggimi

Per comprendere concetti e informazioni pratiche relativi alla Meccanica Agraria in maniera tale

da poterli trasformare in competenze indispensabili per un qualificato lavoro professionale,

necessario riprendere le Unit di Misura e nel contempo rivedere alcuni concetti di Fisica ad esse

legati. Gli appunti che seguono ed in particolare alcune definizioni in essi contenute sonostrettamente mirati agli aspetti pi applicativi della Meccanica Agraria e non pretendono perci di

essere rigorosi come potrebbe esserlo un manuale di Fisica.

Grandezze Fisiche e Unit di Misura

Una grandezza fisica rappresentata da tutto ci che suscettibile di aumento o diminuzione e,

dunque, di misurazione: spazio, tempo, massa, peso, etc.

FondamentaliLe grandezze possono essere:

Secondarie (ricavabili dalle fondamentali)

Nel Sistema MKS si prendono a riferimento tre grandezze FONDAMENTALI, a ciascuna delle

quali corrisponde la propria unit di misura; esse sono:

1)Lunghezza [m]2)Massa [kg]3)

Tempo [s]

Esempi di grandezze derivate: la velocit, la forza, etc.

La misura di una grandezza il rapporto fra la grandezza ed un'altra, della stessa specie, assunta

come unit. Perci, la misura della grandezza sar un multiplo o un sottomultiplo dellunit di

misura prescelta. Se lunit di misura dello spazio il metro, la scrivania sulla quale studiamo potr

per esempio misurare 1,53 metri.

Il campione la riproduzione materiale dellunit di misura. Per esempio, il campione materiale del

metro conservato a Sevres.

Per effettuare e rappresentare misure di grandezze si ricorre ai Sistemi di Misura. Ancora

correntemente utilizzato nella vita di tutti i giorni il Sistema Tecnico. Nel S. T. le unit di misura


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utilizzate derivano da convenzioni, per esempio la pressione misurata in bar (una forza di 1 kg che

insiste su 1 cm quadrato) o, ancora, in atmosfere, la velocit in metri al secondo, ma anche in

chilometri orari; la potenza (di frequente impiego in Meccanica Agraria) espressa in cavalli.I sistemi di misura assoluti sono quelli che fanno derivare le unit di misura di qualsiasi specie di

grandezza fisica da alcune unit fondamentali scelte arbitrariamente, indipendenti luna dallaltra e

NON variabili n col tempo n col luogo.

Il sistema assoluto comunemente adottato il Sistema Giorgi o Sistema Internazionale (S.I.),

proposto dal prof. Giovanni Giorgi nel 1901 e approvato dalla CEI (Commissione Elettrotecnica

Internazionale) nel 1935 ed entrato in vigore dal 1 gennaio 1948.

Il S.I. raggiunge lobiettivo di semplificare le misure perch adottato a livello internazionale ed

anche perch le misure di tutte le grandezze vengono riportate ad una unica unit di misura per

ciascuna grandezza. Infatti, nel S.I. lo spazio sar misurato in metri e le unit derivate utilizzeranno

il metro: la velocit, perci, sar espressa in metri al secondo, la pressione sar espressa dal

rapporto fra la forza unitaria (1 N, si legge un newton) che insiste su una superficie di un metro

quadrato.

Sono ammessi multipli e sottomultipli in ragione di 1000, perci scompaiono, per esempio, quintali

(q) e centimetri, e al loro posto ci si potr esprimere in tonnellate (t) e millimetri.

In merito alle unit di misura vigono precise regole di scrittura che debbono essere adottate con

rigore. Per esempio, NON deve essere messo il punto dopo un simbolo, proprio in quanto si tratta di

simboli e non di abbreviazioni; in caso di frazioni si dovr utilizzare la linea di frazione orizzontale

e MAI inclinata (la forma / permessa SOLO nei libri a stampa, per comodit grafica). Si ricorda

anche che, in una espressione, i fattori, i coefficienti, le lettere precedono i numeri; e che il segno di

uguale e le eventuali linee di frazione debbono giacere su una stessa retta orizzontale (in questa

dispensa non sempre ci accade, per difficolt nelluso del programma di scrittura).

Lunghezza.

Lunit di misura il metro. In origine, venne definito come 1/40.000.000 dell'equatore terrestre, ma dal 1983 venne

ridefinito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo.

Tempo.

Lunit di misura il secondo. In origine, venne definito in termini di rotazione terrestre, come 1/86.400 del giorno

solare medio. Dal 1967 definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla

transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133.

Velocit. (v).

La velocit media il rapporto fra lo spazio ed il tempo impiegato a percorrerlo.

V =TempoSpazio ovvero V =

ondometro

sec


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Per convertire la v. das

ma

h

kmoccorre moltiplicare per 3,6, perch per convertire i metri in km

si divide la lunghezza m per 1000km

me perch, similmente, da s ad h si divide il tempo s per

3600h

s; si ottiene: 1

s

m

1000

3600==> 3,6

h

km.

Accelerazione.

Variazione di velocit in grandezza o direzione nellunit di tempo. Nel moto uniformemente

accelerato laccelerazione costante. Nel caso della caduta dei gravi:

a = g (con g = 9,81 2s

m, accelerazione di gravit)

Radiante.

In una circonferenza, un angolo pari al rapporto fra la lunghezza dellarco sotteso allo stesso

angolo e il raggio:

=r

arco; un radiante (rad) corrisponde allangolo sotteso allarco di lunghezza pari al raggio ed

pari a 57 17 44,8

Velocit angolare.

Si indica con la lettera greca omega e si misura ins

rad. Essa riferita al rapporto fra uno spazio

angolare e il tempo t impiegato a percorrerlo: dunque, la velocit angolare sar =t

s

rad .

Periodo.

Si chiama PERIODO il tempo impiegato da un punto in movimento per percorrere la circonferenza

con velocit di intensit costante.

Dunque, la velocit media di un punto che percorre la circonferenza v =T

r2(ovvero, come

sempre, V = Tempo

Spazio, dove lo spazio questa volta rappresentato da una circonferenza e al

generico tempo t si sostituisce il tempo T).


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Frequenza e velocit di rotazione n.

La Fisica ci insegna che il periodo T linverso della frequenza, la quale esprime il numero di

giri al secondo: T =f1 ; e, poich n esprime il numero di giri al minuto, sar: f= 60

n .

Relazioni fra velocit angolare e n

In una circonferenza, come abbiamo visto, si ha:

=r

arco; =

t

. Sostituendo: =

rt

arco=

r

v. Dunque, si ottiene: v = r.

Dunque, operando le giuste sostituzioni:

v =T

r2= rf2 = 60

2n

r ; dividendo ambo i membri per r, si ha:

r

v= = n60

2.

La relazione =602 n deve essere utilizzata per convertire con precisione e reciprocamente ed

n; essa dimostra inoltre che pu essere facilmente effettuata una conversione in via speditiva (cio

quando non necessaria grande precisione, come nei calcoli a mente), poich il rapporto fra la

velocit angolare e la velocit di rotazione di circa 1:10. In altre parole, 10

1 di n. Lalbero

di un motore a ciclo Diesel ordinariamente ruota alla velocit di 550 n, ovvero 55 o

precisamente = 57,56.

Forza.Si chiama forza qualunque causa esterna capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un

corpo non vincolato, o di produrre deformazioni elastiche nei vincoli che impediscono al corpo di

muoversi. Una forza applicata ad un corpo imprime a questultimo una accelerazione che

inversamente proporzionale alla quantit di materia o di massa del corpo stesso:

F = m a

Lunit di FORZA nel Sistema Internazionale si esprime in Newton [N] e corrisponde alla forza che

agendo sulla massa di 1 kg le imprime laccelerazione unitaria:

1 N= 1 kg massa 1 2s

m.


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Massa.

La massa la quantit di materia di un corpo ed indipendente dalla sua collocazione spaziale; per

questo rientra fra le grandezze assolute prese in considerazione dal S.I.. Algebricamente, essa parial rapporto costante tra la forza applicata ad un corpo e laccelerazione che tale forza imprime al

corpo:

m =a

F; dunque, laccelerazione impressa da una forza ad un corpo inversamente proporzionale

alla massa del corpo stesso; in altre parole, maggiore la quantit di materia o massa di un corpo,

pi intensa dovr essere la forza applicata per conferire al corpo stesso una data accelerazione. Per

questo la massa di un corpo si identifica con la sua inerzia e per questo la massa assume lattributo

di inerziale: perch essa si oppone al cambiamento dello stato di quiete o di moto. Nel S.I. la massa

si misura in kg e questo ingenera una certa confusione con la misura del peso o della forza nel S. T.,

anchessa in kg; per questa ragione, a seconda del contesto, a volte si aggiungono in pedice le

iniziali corrispondenti: kgm, kgp, kgf.

Peso.

Il peso di un corpo corrisponde alla forza gravitazionale esercitata sul corpo stesso per effetto della

sua massa. Dunque, contrariamente alla massa, il peso varia in funzione della forza di gravit e

perci della posizione del corpo nello spazio. Essendo una forza, nel S.I. il peso si misura in N. Per

effetto della gravit i corpi sono sottoposti sulla Terra ad una accelerazione media g = 9,81 2sm .

Nel Sistema Tecnico il peso si misura in kgpeso e coincide con il kgforza.

1 kg peso = 1 kg massa 9,81 2s

m,

laddove un kg peso corrisponde alla forza in grado di conferire al corpo di massa unitaria

accelerazione pari allaccelerazione di gravit. (nel S.I. il kg (peso o forza) non esiste in quanto la forza

(e perci il peso, che una forza dovuta alla gravit) si rappresenta come abbiamo visto con il N).

Riscrivendo la superiore relazione nella forma: 1 kgf = 9,8 1 kg massa 1 2s

m

si pu osservare che la relazione nel riquadro rappresenta 1 N.; perci sar: 1N

1 kgf = 9,8 Newton


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Ne consegue sia che: 1 N = 0,102 kgf,, sia che 1 kgf 10 N 1daN.

Pressione.

(p, in Pa - leggasi Pascal): La pressione data dal rapporto fra una forza e la superficie del corpo sucui essa forza agisce:

p = F As-1

Nel S. T. la pressione espressa in bar [kgpcm-2].

Nel S. I., ove F espressa in N e As in m2, la pressione si esprime in Pascal (Pa); perci 1 Pa la

pressione esercitata da 1 N su 1 m2 di superficie:

1 Pa = 1 N m-2

Ricordando che 1 N = 102 grammi, si ha che:

1 Pa = 0,102 kgp 10-4 cm2 = 0,0000102 bar = 110-5 bar; ne consegue che:

1 kPa = 110-2 bar.

Concludendo: 1 bar uguale a 100.000 Pa, a 100 kPa, a 0,1 Mpa, e 1 Mpa = 10 bar.

Esercizio.

La pressione di gonfiaggio dello pneumatico di posteriore di una mountainbike di 3,2 bar. A

quanti kPa e MPa corrisponde? [320 kPa, 0,32MPa].

Nel gergo tecnico possono incontrarsi frequentemente altre unit di misura della pressione. Infatti,

questa pu essere riferita alla pressione esercitata dall'aria su un corpo (p. atmosferica). Il suo valore

a livello del mare assunto ad unit e viene chiamato atmosfera (atm). Questo valore viene riferito

al peso di una colonna di mercurio o di acqua e perci si instaurano le seguenti relazioni:

1 atm = 760 mm Hg = 10,33 m(H20) = 1,033 kgp(cm2)-1 bar

Tenendo presente che 1 atm tecnica si approssima a 1 bar, si ha che:

1 atm 1 bar 100 kPa

Infine, ricordando che 9,81 N = 1 kgp, qualora la pressione sia espressa in kgp m2, si ha:

1 kgp (m2)-1 = 9,81 N (m2)-1 1 daN (m2)-1 10 Pa


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Impulso di una forza e Quantit di moto.

Sappiamo che la F = m a, moltiplicando entrambi i membri per il tempo t ottengo: F t =m a t

ovvero

F t =m

v

Il primo termine, costituito dal prodotto dellintensit di una forza per il tempo di applicazione,

rappresenta limpulso di una forza; il secondo, la quantit di moto.

Massa volumica o densit assoluta.

Rappresenta la massa dellunit di volume:

da = V

M

3m

kgm; ne consegue che: M = da V.

Peso specifico assoluto.

Rappresenta il peso ed il volume di un corpo: = 3m

N

Peso specifico assoluto e massa volumica.

Per le sopra riportate relazioni e ricordando che F = m a, si ha che: 3m

N= m 3m

a= da a

Massa lineica.

Rappresenta la massa per lunghezza unitaria di un corpo:m

kgm. Utile, per esempio, quando ci si

vuol riferire alla massa di un corpo allungato come una condotta, un tubo, un filo, un cavo, etc.

Momento di una forza.

Prodotto dellintensit di una forza per il braccio:

M = F b [Nm]

Lavoro di una coppia.

Prodotto del momento di una coppia per lo spazio angolare descritto, ovvero

L = M [J], dove J = Joule

Potenza di una coppia.

Lavoro eseguito da una coppia nellunit di tempo, ovvero il prodotto della coppia per la velocit

angolare:

W =t

M= M


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Lavoro.

Una forza applicata ad un corpo compie lavoro quando si verifica uno spostamento del suo punto di

applicazione. L = FS

Il lavoro meccanico dato dal prodotto dellintensit di una forza applicata ad un corpo per lo

spostamento del corpo stesso e per il coseno dellangolo compreso fra le due direzioni:

L = F S cos

In altri termini, poich la direzione della forza e dello spostamento possono non coincidere, si pu

dire che il lavoro equivale al prodotto della forza F per la proiezione S cos dello spostamento S

sulla direzione della forza F.

Si verificano perci i seguenti casi.

Se = 0 il LAVORO POSITIVO o motore e la direzione e il senso di S coincidono con quella di

F;

Se 0 < < 90 il LAVORO POSITIVO o motore, anche se le direzioni di S e F non sono pi

coincidenti;

Se = 90il LAVORO NULLO (cio non si produce lavoro) poich cos = 0; le due direzioni

sono normali fra loro;

Se 90 < < 180 il LAVORO NEGATIVO o resistente (il segno negativo);

Se = 180 il LAVORO NEGATIVO o resistente ( perch il cos di 180 1), con S ed F didirezione coincidente ma senso opposto.

Nel S.I. lunit di misura del lavoro il Joule [J], che corrisponde al lavoro compiuto da una forza

di 1 N per spostare il punto di applicazione di 1 m:

1 J = 1 N 1 m

Nel Sistema Tecnico lunit di misura il chilogrammetro (kgm):

L = 1 kg forza 1 m

Relazione fra le unit S.I. e S.T.: poich, come sappiamo, 1 kg forza = 9,81 N, ne consegue che:1 kgm = 9,81 J

Potenza.

La potenza meccanica di una forza il lavoro eseguito nellunit di tempo.

P =TEMPO

LAVOROossia P =

T

L; unit di misura -->

Secondi

Joule= Watt [W].

Poich L = F S , si ha anche che: P =T

SF, laddove

T

S= v, per cui si ha:


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P = F v

Ovvero: la potenza meccanica di una forza equivale al prodotto fra lintensit di una forza e la

velocit del suo punto di applicazione. Ne consegue che mantenendo costante la potenza, forza evelocit sono inversamente proporzionali.

Unit di misura nel Sistema Internazionale:

P = Ns

m----> P =

s

J= [W]

Nel Sistema Tecnico:

P = kg forzas

m-----> [

s

mkg ], ovvero chilogrammetri al secondo.

Per convenzione, nel S.T. si stabilito che: 1 CV = 75s

mkg , dove CV = Cavallo.

N.B. 1000 W sono uguali ad 1 kW (k il prefisso che significa 1000).

Equivalenza fra kW e CV.

1 kW a quanti cavalli equivale?

1 kW = 1000 W = 1000s

J= 1000

s

mN= 1000 0,102

s

mkg = 102

s

mkg ;

e poich

CV

kgmkW

kgm

75

102

= 1,36kW

CV, dunque 1 kW = 1,36 CV. In altre parole, il kW esprime 1,36

volte pi potenza di un cavallo, ragion per cui il valore numerico utilizzato per esprimere una

potenza in kW sar minore a quello utilizzato per esprimere la stessa potenza in CV. Esempio: 100

kW = 136 CV.

1 kW = 1,36 CV

Se lequivalenza di cui sopra viene affrontata a partire da CV, si pu dimostrare che:

1CV = 0,736 kW. Come facile comprendere, 1,36 e 0,736 sono fra loro reciproci e perci possono

ambedue essere utilizzati nelle conversioni fra kW e CV: per esempio, laddove un fattore viene

moltiplicato, se si intende utilizzare il reciproco occorrer porlo come divisore.

Esercizio:

Calcolare a quanti cavalli corrispondono 51 kW.

Soluzione 1: 51 kW 1,36

kW

CV= 70 CV


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Soluzione 2: 51 kW 736,0

1kW

CV= 70 CV

Energia

Lenergia di un corpo corrisponde alla sua capacit di eseguire un lavoro. Dalla nota espressione: P

=t

L, deriva che:

L = E = P t. Si pu pertanto affermare che lenergia (o il lavoro) equivale al prodotto di una

potenza per il tempo di applicazione della potenza stessa.

Se E = Potenza empo e P = T

SF

, sar: E = L = T

SF

T = F S

Ne consegue che Energia e Lavoro sono entrambi misurati in Joule.

Equivalenza fra J e kWh

A ragione del fatto che il J esprime una piccola potenza (cio occorrono molti zeri per rappresentare

potenze correnti), tuttora ammesso luso del kWh (chilowattora), che rappresenta lenergia

corrispondente ad una potenza di 1 kW impiegata per 1 ora di tempo.

1kWh = 1000 W h = 1000s

J 3600 s = 3.600.000 J = 3,6 MJ (si legge; mega joule)

Dunque:

1 kWh = 3.600.000 Joule

3.600.000 Joule = 3,6 MJ

Calore.

Il calore una forma di energia che si trasmette tra corpi che contengono quantit diversa seguendo

il gradiente: dal corpo con calore maggiore (dove la temperatura sar maggiore) al corpo con calore

minore (dove la temperatura sar minore).Pertanto, nel S.I. il calore viene misurato in J; nel S. T. in calorie (cal).

Relazione fra calore e lavoro.

Per il primo principio della termodinamica calore e lavoro sono reciprocamente trasformabili. Joule

individu lequivalente meccanico della caloria:

1 cal = 4,187 J

Moltiplicando per 1000, si ha: 1kcal = 4187 J.


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Equivalenza fra J e kgm.

Ed anche: 4187 J 81,9

1 J

kgm= 427 kgm.

Equivalenza fra kWh e kcal

Conosciamo gi lequivalente meccanico della caloria. Sappiamo anche che: 1 kWh = 3,6 MJ;

dunque, possiamo convertire 3,6 MJ in kcal:

kcal

J

MJ

4187

6,3= 860 kcal. Pertanto, possiamo scrivere:

1 kWh = 860 kcal.

Relazione fra quantit di combustibile, calore lavoro.

1 kg di COMBUSTIBILE derivato dal petrolio equivale pressappoco a 10.000 kcal:

1 kg DI COMBUSTIBILE = 10.000 kcal

10.000 kcal 4187kcal

J= 41,87MJ = 11,63 kWh

Somma delle energie elettrica e termica.

Non si possono sommare i consumi di elettricit, che possiamo indicare con kWhe (kilovattora

elettrici) con i consumi di combustibile (che si possono rappresentare in kWht kilovattora termici)

le energie. Per effettuare la somma occorre convertire i consumi di energia elettrica in energia

termica.

Si procede dividendo i consumi di energia elettrica per il rendimento della catena energetica dalla

centrale di produzione dellenergia elettrica al punto di presa (che sar una centrale termica, ovvero

alimentata con combustibile fossile) , valutato mediamente il 0,32 (ovvero, solo il 32% dellenergia

corrispondente al combustibile utilizzato disponibile al punto di presa).

Tale rendimento prende la definizione di rendimento di produzione e trasporto dellenergia

elettrica.

Dunque:

1) a quanta energia termica corrispondono 341,8 MWhe?2) In un comprensorio irriguo si registra un consumo un consumo di 341,8 MWhe, dovuto alle

elettropompe e un consumo di 1700 kg di gasolio dovuto alle motopompe (motopompe e

pompe collegate al trattore); a quanta energia termica totale corrispondono tali impieghi di

energia elettrica e di gasolio? [1.088 MWht


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Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011 - Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. "15/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] II - "Macchine Forza - Rendimenti

CAPITOLOII

MACCHINE FORZE RENDIMENTI

FORZE RESISTENTI

Definizione: le macchine sono costituite da uninsieme di corpi o membri collegati fra loro, sui

quali agiscono forze, che producono un lavoro meccanico.

LE FORZE DI UN SISTEMA POSSONO ESSERE:

INTERNE ESTERNE (ad un sistema) DI SUPERFICIE (connesse alla superficie di un corpo) DI MASSA (INERZIALI) (connesse alla massa di un corpo)

MOTRICI (danno luogo a lavoro motore)

FORZE ESTERNE passiveRESISTENTI

utili

FORZE MOTRICI: sono quelle che determinano il movimento, dunque compiono unlavoro positivo;

FORZE RESISTENTI: sono quelle che si oppongono al moto e si suddividono in: PASSIVE: parte del lavoro motore dissipato in calore; UTILI: quelle che compaiono un lavoro negativo utile (es. lattrito che gli organi di

locomozione (ruote) hanno con il terreno).

RENDIMENTO

Il concetto di rendimento implica un rapporto fra entit in entrata in un sistema e ci che il sistema

restituisce in uscita. Solitamente, il sistema restituisce meno di ci che riceve. Ci accade negli

organismi viventi (energia ingerita con gli alimenti e energia disponibile) come nelle macchine: in

queste ultime, la quantit di energia restituita in uscita sempre minore di quella che statasomministrata in entrata, poich vi saranno sempre delle quote parti di energia dispersa nel sistema


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ed altre impiegate allinterno del sistema stesso.

Ci accade anche nel caso di semplice trasmissione del moto fra due macchine.

Nelle macchine il rendimento il rapporto tra il lavoro utile ed il lavoro motore. Si rappresenta conla lettera greca eta, che si scrive .

Poich si hanno dispersioni sia nel caso dellaproduzione di energia (motori), che nella trasmissione

di energia (fra due macchine collegate da giunti la seconda riceve meno di quanto la prima cede),

che nello stesso trasporto di energia (al termine di unconduttore vi meno energia rispetto a quellaregistrabile al capo di partenza), si parler rispettivamente di rendimento di produzione,

trasmissione, trasporto dellenergia. Nel caso in cui ricorrano in contemporaneamente pi forme di

dispersione dellenergia, il prodotto dei singoli rendimenti fornir il rendimento totale.

Nei motori il lavoro in entrata definito lavoro motore e quello in uscita lavoro utile:

Lavoro utile

Lm = Lp + Lu

Lavoro passivo

Nelle condizioni ideali non essendovi dispersioni sar Lp =0 e perci Lm = Lu; conseguentemente

= 1.Nelle condizioni reali sar sempre Lp >0 e perci Lu < Lm sempre.

Lavoro utile

=Lm

Lu Lu

Lavoro motore

TRASMISSIONE DEL MOTO E RENDIMENTI

Le macchine si possono collegare tra loro in SERIE o in PARALLELO:

SERIE: quando il lavoro utile di una macchina agisce come forza motrice di quella chesegue;

PARALLELO: quando la forza motrice agisce sulle varie macchine ripartendosi su di esse.Singoli rendimenti:


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1 =

1

1

Lm

Lu;2 =

2

2

Lm

Lu n-1 =

1

1

n

n

Lm

Lu;n =

n

n

Lm

Lu;

Il rendimento totale sar dato dal prodotto dei singoli rendimenti:

tot =1 2 ...n-1 nMa, poichLu1 = Lun-1, Lu n-1 = Lmn, semplificando si avr che:

n =n

n

Lm

Lu

Dunque, in un sistema di macchine in serie il rendimento totale rappresentato dal rapporto fra illavoro utile alluscita del sistema e il lavoro motore in entrata al sistema.

Occorre sottolineare che, poich il rendimento di una singola macchina sempre inferiore allunit,

ne consegue che ogni macchina che si inserisce in una serie contribuisce ad abbassare il rendimento,

per quanto il suo proprio rendimento possa essere elevato.

Infatti, il prodotto dei rendimenti singolarmente pur elevati di pi macchine porta allabbassamento

del rendimento totale.

Esempio:

se: 1 = 0,9; 2 = 0,9; 3 = 0,9, si avr:

totale1,2 = 1 2 = 0,9 0,9 = 0,81

totale1,2,3 = 1 2 3 = 0,9 0,9 0,9 = 0,73


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LE RESISTENZE PASSIVELe forze resistenti passive FRp sono forze che contrastano il lavoro delle macchine, dando luogo

a LAVORO PASSIVO, cio a dissipazione di energia sotto forma di calore (che si manifesta

tramite aumento della temperatura) o tramite asportazione di materia (logoramento).

RESISTENZA PERRIGIDEZZA

DEGLI ORGANIFLESSIBILI

RESISTENZA DELMEZZO

RESISTENZA DIATTRITOINTERNO

RESISTENZA DIATTRITOESTERNO

41 2 3

RESISTENZE PASSIVE

Resistenza per rigidezza degli organi flessibili. Gli organi flessibili sono le cinghie (piatte otrapezoidali), le catene, ecc, utilizzati come giunti per trasmettere il moto fra sue macchine distanti

fra loro. Una quota parte dellenergia in entrata al sistema viene utilizzata per piegare questi organi

(che oppongono resistenza al piegamento, ovvero al cambiamento di direzione) e, dunque, non

disponibile in uscita al sistema. Tale resistenza direttamente proporzionale al quadrato del

diametro ed inversamente proporzionale al raggio di avvolgimento: Rof = f (d2, r-1) (perci per

diminuire queste resistenze occorre usare corde o cinghie quanto pi sottili e carrucole quanto pi

grandi).

Resistenza di attrito interno. Si sviluppa tra particelle di uno stesso corpo. Ad esempio, fra il terrenoe le particelle di terreno che inevitabilmente aderiscono sugli organi lavoranti. Si tratta di attriti

elevati ed ove si pu si tenta di sostiruire con le resistenze di attrito esterno.

Resistenza del mezzo. Si verifica nel moto relativo fra un solido ed un fluido (ad esempio: il

paracadute nellaria). Essa direttamente proporzionale al quadrato della velocit e alla sezione

opposta dal solido al moto (sezione trasversale alla direzione del moto): Rm = f (v2, As). Questo tipo

di resistenza interessa moderatamente lesercizio corrente dellagricoltura, in quanto in questo

campo di attivit in genere le velocit sono piuttosto basse.

Resistenza di attrito esterno. Si sviluppa tra superfici di corpi solidi in movimento reciproco, comead esempio un libro che striscia su un banco.


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RESISTENZA DIATTRITO RADENTE

RESISTENZA DIATTRITO VOLVENTE

6

RESISTENZA DI ATTRITO ESTERNO

5

Si parla di ATTRITO RADENTE quando un corpo striscia su un altro o fra superfici che strisciano

luna sullaltra. Dipende dalla scabrosit delle superfici (minore la scabrosit, minore lattrito).

direttamente proporzionale alla forza premente N normale al piano di appoggio.

LibroT

N NPoich = 0, N=Q (con Q peso del corpo) Q

N=Q cos

Per il coefficiente di attrito radente, se il corpo in stato di quiete o di moto, vale la formula

Rr = fr N

Con fr coefficiente di attrito.

Se il corpo al momento iniziale del moto vale la formula

Rr = fd N

fd = coefficiente di primo distacco, con fd 1,5 fr

La forza premente N = Q cos, sul piano orizzontale sar N = Q; mentre, sul piano inclinato, N

diminuisce man mano che aumenta linclinazione per effetto della diminuzione del valore del cos .

Condizioni del moto di un corpo su piano inclinato. Esiste un angolo (fi, angolo limite) per il

quale il corpo comincia a muoversi (angolo limite di attrito radente) verso il basso. Pertanto, il

corpo resta fermo, in equilibrio e si muover a seconda che minore, uguale o maggiore di .

Langolo limite si raggiunge quando la pendenza tale che la componente del peso parallela al

piano di appoggio T = N ovvero quando Q sen = N cos.Si parla di ATTRITO VOLVENTE quando un corpo rotola su un altro. Lattrito volvente ha

unintensit minore rispetto a quello radente. Esso dovuto alla scabrezza delle superfici e alle


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deformazioni dei corpi in moto ed direttamente proporzionale al carico normale N, al paramentro

di attrito volvente (delta) e inversamente proporzionale al raggio della ruota; si ha: Rv = r-1 N. Il

parametro di attrito volvente direttamente proporzionale allaffondamento della ruota, pertanto perridurre Rv occorre ridurre laffondamento dellorgano di sostegno o di locomozione e usare ruote di

grande diametro.

I PERNI

I perni sono corpi cilindrici ruotanti dentro sedi aventi diametro appena superiore ai perni stessi. La

differenza fra i due diametri si definisce gioco; in assenza di gioco e di lubrificazione il perno

grippa, cio si blocca nella sua sede.

PORTANTE (sopporta un carico normale al proprio asse)

PERNO

SPINGENTE (il carico incidente allasse del perno)

Il perno portante, ruotando, risale lungo le pareti della boccola e si ferma quando langolo fra la

verticale e la posizione raggiunta uguale allangolo . Si pu allora scrivere il momento di

attrito dei perni:

Mr = N r sen

Dove N = forza premente (peso del perno + carico sullo stesso) r = raggio del perno = angolo

di attrito. Poich Mr direttamente proporzionale al diametro del perno, per diminuire il suo valore

occorrono perni piccoli.

Note pratiche. In un veicolo, per diminuire lattrito volvente delle ruote sul terreno occorrono ruote

grandi e per diminuire lattrito dei perni occorronoperni piccoli. Quando si utilizzano carrucole o

pulegge un elevato diametro diminuisce lattrito per rigidezza del corpo flessibile e anche in questo

caso unperno piccolo diminuir lattrito dei perni.


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Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 21/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] III - Organi di trasmissione del moto

CAPITOLO III

ORGANI DI TRASMISSIONE DEL MOTO

Sono quegli organi che consentono di trasmettere e/o trasformare il moto. In meccanica particolare

importanza assume la trasmissione del MOTO RETTILINEO ALTERNATO IN CIRCOLARE

CONTINUO E VICEVERSA, cos come accade nel motore a pistoni, dove il moto alterno e

rettilineo dei pistoni allinterno dei cilindri viene trasformato grazie ad un giunto detto

manovellismo di spinta - in moto rotatorio continuo dellalbero motore e trasmesso in tale forma

sino alle ruote.

La trasmissione del moto rotatorio pu avvenire per contatto diretto mediante ruote di frizione (veri

sotto) o ruote dentate; quando il contatto diretto non possibile e gli alberi sono allineati possono

interporsi organi rigidi (giunti); se gli alberi sono paralleli si utilizzeranno organi flessibili (cinghie

o catene).

Nella trasmissione del moto rotatorio particolare importanza assume il RAPPORTO DI

TRASMISSIONE, che per definizione il rapporto fra la velocit angolare dellalbero condotto e

quella dellalbero conduttore.

1

2

=

2 = velocit angolare dellalbero condotto, cio che riceve il moto.

1 = velocit angolare dellalbero conduttore, cio che cede il moto.

se < 1 2 < 1 SI RIDUCEse = 1 2 = 1 NON VARIAse > 1 2 > 1 AUMENTA

Fra due ruote di frizione, poste in condizioni ideali (ovvero in assenza di slittamenti) e tenute a

contatto dalle forze prementi N1 e N2, la ruota condotta riceve il moto senza perdite dalla ruota

conduttrice e pertanto ambedue ruotano alla stessa velocit periferica:

v1 = v2; da ci, poich v = r, sar: 1 r1 = 2 r2;


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Si potr dunque scrivere:

1

2

=

2

1

r

r=

2

1

d

d=

Dunque il rapporto di trasmissione si pu esprimere anche come rapporto fra raggi, diametri, e

ancora come rapporto fra velocit in giri min-1 (n2/n1), momenti (M1/M2), numero di denti (z1/z2, fra

ingranaggi) etc.

Se scriviamo tutti questi rapporti uno accanto allaltro, possiamo meglio notare che vige la

proporzionalit inversa fra:

Velocit diametri. Se il diametro della puleggia dellalbero condotto minore, la velocitdello stesso albero sar maggiore di quella dellalbero conduttore.

Velocit numero di denti. Se lingranaggio condotto ha minor numero di denti girer pivelocemente del conduttore.

Velocit momenti trasmessi. Se il condotto gira pi veloce, disporr di un momentominore rispetto a quello applicato allalbero conduttore. Ricordiamo che nei moti rotatori P

= M e che, pertanto, velocit e momenti sono sempre inversamente proporzionali. In

definitiva, ogni trasmissione che prevede laumento della velocit trasmette momenti minori

(e viceversa).

In merito al calcolo di un rapporto di trasmissione esistente fra due corpi cilindrici variamente

collegati: quello fra ruote dentate (z1/z2) sempre piuttosto facile perch possibile contare i denti

(z) degli ingranaggi in presa; il rapporto fra i diametri (d1/d2) pu essere eseguito misurando i

diametri (d) dei corpi cilindrici mediante il calibro; il rapporto fra i raggi (r 1/r2) non deve mai essere

fornito ad una officina incaricata di realizzare laccoppiamento, perch non mai possibile misurare

con precisione il raggio r di un corpo cilindrico (invece lo , come appena visto, il diametro).

La misura delle velocit di rotazione (, in rad s-1; n, giri min-1) deve essere effettuata medianteappositi strumenti di rilevazione e pertanto i rispettivi rapporti (2/1, n2/n1) non sono sempre

pratici da rilevarsi.

Riproponiamo la tabella sopra esposta, immettendo i diametri delle ruote di frizione o delle pulegge

(in questo caso la trasmissione avverr grazie a giunti flessibili), poich le differenze fra i diametri

possono essere di solito apprezzate ad occhio nudo:

se < 1 d1 < d2 SI RIDUCEse = 1 d1 = d2 NON VARIAse > 1 d1 > d2 AUMENTA


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RUOTE DI FRIZIONE

Le ruote di frizione sono corpi cilindrici, tenuti a contatto da una forza N detta premente

perpendicolare al punto di contatto, dove una di esse, detta conduttrice, cede il moto allaltra definita condotta. Il moto viene trasmesso per la resistenza di attrito che si sviluppa tra le superfici

poste a contatto. Nel caso di moti ideali la rotazione avviene in condizione di aderenza perfetta e

pertanto avviene senza slittamento. Il senso di rotazione di due ruote adiacenti discorde e perci

per ottenere un senso concorde occorre interporre una terza ruota ( concorde il sendo di ruote

dispari).

N

RUOTE DENTATE

Una ruota dentata si realizza partendo da una circonferenza primitiva, e da essa per sottrazione edaggiunta di parti, fino ad arrivare alla formazione della ruota dentata. Le due circonferenze

primitive sono le ruote di frizione che verrebbero a contatto se non fossero state trasformate in ruote

dentate.

Infatti, le ruote dentate (ingranaggi) si costruiscono a partire da due ipotetiche ruote di frizione.

Durante il moto gli ingranaggi non sono soggetti a slittamenti reciproci e riescono a trasmettere

circa il 98 % della potenza. Possono trasmettere il moto sia tra ASSI PARALLELI (ingranaggi di

forma cilindrica) che fra ASSI CONCORRENTI o fra ASSI POSTI A 90 (ingranaggi di forma

conica che formano la coppia conica).

Nelle ruote dentate, il PASSO corrisponde alla distanza fra due punti omologhi di due denti


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adiacenti misurata lungo la circonferenza primitiva.

P = passo e Z = Numero di denti

Se la circonferenza r2 = p z, allora P =Z

r2; eliminando in quanto numero

irrazionale, si avr :Z

dP=

= m (MODULO)

Due ruote dentate possono ingranare solo se hanno lo stesso modulo.

I GIUNTI

Sono dispositivi usati per il collegamento fra alberi di macchine.

Flessibili (catene o cinghie)I GIUNTI POSSONO ESSERE

Rigidi

CINGHIELa trasmissione del moto fra due macchine poste non a contatto e con alberi paralleli pu avvenire

tramite le cinghie, piatte o trapezoidali, le quali si avvolgono in corpi cilindrici detti pulegge,

rispettivamente lisce o a gola (tante gole quante saranno le cinghie da ospitare).

C. PIATTE: utilizzate p.es. per lazionamento delle vecchie trebbie; le cinghie piatte slittano

facilmente dando luogo a bassi rendimenti; quando necessario invertire il moto delle pulegge

occorre incrociarle.

C. TRAPEZOIDALI: sono pi recenti e si trovano anche nelle autovetture; essendo dotate di

maggiore superficie di contatto con la puleggia (che viene definita a gola per la sua forma)

rispetto ad una cinghia piatta di uguale larghezza, consente trasmissioni con rendimenti molto

maggiori rispetto alle cinghie piatte.

Cinghia piatta

Puleggia lisciaPuleggia a gola

Cinghia trapezoidale

Gola della puleggia


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opportuno che le cinghie si avvolgano almeno di 120; se di meno la cinghia aderisce per un arco

insufficiente e SLITTA sulla puleggia. Occorre ricordare che per potersi verificare questa

condizione occorre che la distanza fra le due pulegge dia posta in relazione con i loro diametri.

120p. motrice p. condotta

Per garantire che ci avvenga occorre prendere in considerazione alcuni fattori prima di collegare

due pulegge con organi flessibili: il rapporto di trasmissione fra i diametri e la distanza fra le

pulegge.

CATENE

Vi sono diversi tipi di catene, tutte costituite da maglie articolate la cui forma dipende dalle velocit

da raggiungere e dai carichi da sopportare.

Nei trattori cingolati la catenaria si avvolge sulla ruota dentata posteriore, mentre la ruotaanteriore, liscia, ha funzioni di appoggio e di tendicingolo: infatti, mano a mano che il cingolo si

usura, la ruota viene spostata in avanti durante le operazioni di manutenzione, al fine di mantenere

la catenaria adeguatamente tesa.

Il ramo superiore del cingolo quello che si svolge (dalla ruota dentata) e conseguentemente non

sar teso.

Per questa ragione nel cingolo delle trattrici viene aggiunto almeno un rullo con funzioni di

sostegno del ramo superiore. Altri rulli, in basso, consentono lappoggio al terreno e la distribuzione

del peso su di esso.


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GIUNTI RIGIDI

Collegare due assi posti uno in prosecuzione allaltro saldandoli reciprocamente alle loro estremit

non tecnicamente possibile, per quanto possa invece sembrarlo al profano. Infatti, il centro di uncorpo cilindrico non pu mai coincidere con il centro di un altro corpo cilindrico.

Per questa ragione, necessario utilizzare giunti che colleghino con un certo grado di libert i punti

estremi di due alberi adiacenti.

GIUNTO CARDANICO

Il giunto cardanico semplice costituito da una crocera le cui estremit si imperniano nei collari di

due forcelle rigidamente fissate agli alberi o assi da collegare.

Il giunto cardanico in grado di trasmettere il moto fra assi che formano tra loro un angolo non

superiore a 25 30

DOPPIO GIUNTO CARDANICO

Quando una macchina operatrice collegata ad una trattrice deve essere azionata (spandiconcime,

pompa dellirroratrice, zappatrice, trinciaramaglie, etc), si utilizza il doppio giunto cardanico. Esso

costituito da due parti sagomate inserite a cannocchiale una nellaltra per consentire variazioni dilunghezze in seguito agli spostamenti in altezza ed in larghezza della macchina operatrice (infatti

viene un giunto telescopico). Il giunto anche OMOCINETICO, ossia trasmette la stessa velocit

angolare da unestremit allaltra.

Il giunto deve essere totalmente coperto da una protezione costituita da due tubi in gomma

scorrevoli luno sullaltro al centro e con due cuffie alle estremit; inoltre, la rotazione delle cuffie

deve essere interdetta agganciando alla trattrice le apposite catenelle. In mancanza di protezioni, il

(doppio) giunto cardanico si rivela pericolosissimo e si pu purtroppo affermare che ogni anno

questo attrezzo, avvolgendo parti sporgenti dellabbigliamento da lavoro (maniche, cinture, etc)

semina strazio e morte fra operatori impreparati o frettolosi.


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GIUNTO DI OLDHAM

Quando due alberi sono allineati, in posizione fissa e le due estremit sono molto vicine fra loro

(quasi a contatto), deve essere interposto un giunto in grado di trasmettere il moto compensando le

differenze di allineamento (non dimentichiamo che pur ponendo la massima cura due corpi

cilindrici non possono essere perfettamente centrati fra loro). In questi casi si interpone fra i due

corpi il giunto Oldham.

LA FRIZIONE

Il giunto di frizione serve a collegare due alberi dando la possibilit di comandare la connessione e

la disconnessione della giunzione e dunque di interrompere la trasmissione del moto verso lalbero

condotto. Nei veicoli la frizione si interpone nella catena cinematica (trasmissione) mediante la

quale il moto dal motore raggiunge le ruote, dando cos la possibilit di a) arrestare il moto del

veicolo pur rimanendo il motore in funzione; b) agire sul cambio (vedi) durante il funzionamento

del motore. Nei veicoli la frizione connette lalbero mosso dal motore (in uscita dal volano) e

lalbero di trasmissione.

con innesto a denti

La frizione pu essere a cono

a punto morto

a pacchi, a secco, a bagno dolio, etc

INNESTO A DENTI: E un giunto costituito da due mozzi muniti di denti, uno fisso e laltro

scorrevole, comandato mediante una leva.

FRIZIONE A CONO: E costituita da due campane coniche, di cui una rivestita di materiale di

attrito (che si brucia quando le due campane vengono tenute a distanza appena percettibile fra loro,


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situazione tipica del neofita che tiene il piede sul pedale della frizione!)

DIFFERENZIALEIl differenziale serve a compensare le variazioni di fra le ruote motrici. Queste variazioni si

manifestano nelle traiettorie curve, dove la ruota interna rotola a velocit inferiore rispetto alla ruota

esterna. Ne consegue che quando una ruota perde aderenza (fango, neve, etc) e comincia pertanto a

slittare rotolando ad alta velocit, il differenziale entri in funzione provocando la diminuzione della

velocit di rotolamento dellaltra, sino ad arrestare il moto di questultima. In questi casi, il veicolo

si arresta, appunto perch allo slittamento di una delle due ruote motrici consegue il fermo

dellaltra. Una volta determinatasi questa situazione, sar necessario intervenire sul dispositivo di

blocco del differenziale, il quale consente la normale trasmissione del moto della ruota rimastaaderente al suolo anche se laltra sta slittando, consentendo lavanzamento del veicolo.

Il differenziale contenuto nellapposita scatola del differenziale, situata nellasse delle ruote

motrici (di veicoli a ruote). Si ripete: se una delle due ruote aumenta la sua velocit notevolmente,

laltra si blocca.

La SCATOLA DEL DIFFERENZIALE CONTIENE:

1. Un PIGNONE (ingranaggio conico ricavato in una estremit dellalbero di trasmissione ingranato con la corona);

2. Una CORONA (ingranaggio a forma di corona circolare con i denti ricavati sulla suasuperficie ingranato con il pignone);

3. Un telaio metallico detto PORTATRENO, solidale con la CORONA e che pertanto vienetrascinato dal rotolamento di questa (la corona rotola per effetto della rotazione del

pignone);

4. Due ruote dentate coniche, dette PLANETARI, situate allinterno della scatola e fissateallestremit dei semiassi;

5. Due o quattro ruote dentate coniche, dette SATELLITI, calettate su perni fissati alportatreno ed interposte fra i due planetari con i quali ingranano.

Per effetto del punto 4), le ruote del veicolo girano purch girino i planetari.

In condizioni di traiettoria rettilinea il moto avviene cos: il pignone fa ruotare la corona e questa il

portatreno che le solidale; ruotando il portatreno, ruotano nello spazio anche gli assi dei satelliti,

perch questi assi sono fissati al portatreno. I satelliti trascinano i planetari (perch i denti dei

satelliti sono ingranati con quelli dei planetari) costringendoli a ruotare ciascuno intorno al proprio

asse. Ruotando i planetari di uguale velocit girano le ruote del veicolo di uguale velocit.

Nota bene: sono gli assi dei satelliti che ruotano nello spazio perch fissati al portatreno, MA i


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satelliti NON ruotano intorno ai loro assi.

In curva: la ruota interna alla curva inizia a girare pi lentamente e, perci, ruoter pi lentamente

sia il suo semiasse che, ovviamente, il planetario fissato alla estremit di questultimo. Ladifferenza delle velocit di rotazione fra di due planetari costringe i satelliti fra loro interposti a

ruotare ciascuno intorno al proprio asse e poich i due satelliti sono posti specularmente (luno

guarda laltro) su uno stesso asse immaginario, essi sono costretti a ruotare con senso di rotazione

inverso luno dellaltro. Da questo momento ha inizio la compensazione della differenza di velocit

fra le due ruote e, se una (quella interna) rallenta, laltra aumenta la velocit in maniera

corrispondente. In definitiva, in condizioni normali aderenza i satelliti non ruotano intorno ai propri

assi.

A.T.pignone

corona

portatreno semiasse

satelliti planetari

IL CAMBIO

Il cambio un dispositivo posto a valle della frizione e ha lo scopo di adeguare la coppia motrice

alla coppia resistente ed anche di variare la velocit di rotazione di un ingranaggio (o ruota)

condotta rispetto ad un ingranaggio (o ruota) motrice.

In effetti, occorre ricordare che, nelle trasmissioni del moto, la velocit di rotazione e il momento

sono fra di loro inversamente proporzionali; ne consegue che il cambio serve a trasmettere

contemporaneamente e in maniera inversamente proporzionale velocit e coppia. Di volta in volta, a

seconda delle utilizzazioni reali, prevarr nella scelta dei rapporti laspetto della velocit o quello

della coppia trasmessa.

Nel caso di una seminatrice il cambio serve a far compiere pi o meno giri allorgano distributore

del seme in rapporto ad una ruota motrice del sistema di distribuzione; lo scopo quello di seminarequantit maggiori o minori di seme. Anche operando con una zappatrice il cambio servir a far

compiere pi o meno giri del rotore che porta le zappette, con leffetto, nel caso di maggiore


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velocit, di amminutare maggiormente il terreno grazie al maggior numero di colpi che nellunit di

tempo lo raggiungono. In ambedue gli esempi, il cambio delle macchine operatrici citate viene

azionato con riferimento alla velocit di rotazione e con ben poco interesse alle forze resistenti ingioco.

Nel caso di una trattrice al lavoro, invece, luso del cambio prevalentemente rivolto ad adeguare il

momento motore alle coppie resistenti. Infatti, se durante laratura le resistenze del terreno

aumentano (per esempio si sta attraversando una parte del campo contraddistinta da terreni

maggiormente coesivi), sar necessario intervenire sul cambio della trattrice scalando di marcia; in

tal modo si diminuisce la velocit di avanzamento e si ottiene una coppia maggiore, necessaria per

superare le maggiori resistenze.

Ancora con riferimento alla trattrice: durante una erpicatura superficiale potremo selezionare unamarcia alta, ma durante laratura profonda occorre alle ruote un momento elevato e perci

selezioneremo una marcia bassa (bassa velocit momento elevato).

In un veicolo come lautomobile il cambio utilizzato di frequente e con ambedue le finalit:

durante un percorso in pianura potremo scegliere una marcia alta (V) che consente elevate velocit

(in pianura non interessa granch il momento trasmesso dal motore alle ruote); in salita sar

necessario disporre alle ruote di un momento maggiore rispetto ad un tragitto in pianura e dovremo

perci selezionare una marcia bassa (per esempio: II).

Le trattrici moderne, per soddisfare le molteplici esigenze del trasporto su strada e del lavoro nei

campi, sono equipaggiate con cambi dotati di un elevato numero di marce (o rapporti), proprio per

poter affrontare di volta in volta le diverse esigenze che si presentano, consistenti nella necessit di

adeguare principalmente le velocit di avanzamento o le coppie motrici.

CAMBIARE I RAPPORTI VUOL DIRE CAMBIARE I VALORI DI =Z1/Z2

(ricordiamo che il rapporto di trasmissione)

Questo si effettua agendo sulla leva del cambio e selezionando la marcia (o il rapporto) voluto, dove

ciascuna marcia contraddistinta, come si visto, da un proprio valore di M e di . ll cambio

costituito da un ALBERO PRIMARIO, un ALBERO SECONDARIO allineato (ma non collegato)

al primario ed uno detto di RINVIO, parallelo ai due. Agendo sulla leva del cambio si selezionano a

seconda delle necessit le coppie di ruote dentate (una sullalbero di rinvio e laltra sul secondario)

che dovranno ingranare. Nei veicoli moderni gli ingranaggi sono sempre in presa fra loro e,

ovviamente, solo una coppia (quella selezionata dal guidatore) di volta in volta in funzione.

Il cambio presente non solo nei veicoli, ma anche in tutte quelle macchine operatrici dove sia

necessario variare la velocit di rotazione di un componente in funzione della caratteristiche del

lavoro. Si pu trovare perci nelle zappatrici, in modo da variare la velocit di rotazione del rotore

in funzione dellamminutamento desiderato, nelle seminatrici, in modo da aumentare o diminuire i


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giri dellalbero porta-distributori per ogni giro della ruota che nella seminatrice che, appoggiata al

terreno, comanda la trasmissione del moto sino allalbero stesso. Nelle macchine operatrici occorre

intervenire manualmente per porre a contatto gli ingranaggi voluti (zappatrice) o per agire su unaleva del cambio posta sulloperatrice stessa (seminatrice).

PARALLELOGRAMMA ARTICOLATO

Si costituisce di un basamento fisso, detto ponte, di una biella e di due manovelle di uguale

lunghezza. Trasmette il moto rotatorio e continuo - da una ruota ad unaltra, senza compiere

trasformazioni del moto stesso.

biella o o

manovelle

ponte o o

Con il parallelogramma articolato si trasmette il moto, p. es., fra le ruote della locomotiva:

BILANCIERE

Quando una manovella pi lunga dellaltra la sua estremit si muove lungo un arco tanto pi

breve quanto maggiore la differenza in lunghezza. Perci, per ogni giro completo della manovella

pi corta si avranno 1 o pi tragitti di quella lunga, che viene denominata bilanciere.

MANOVELLISMO DI SPINTA

Nel m. di s. una manovella viene prolungata allinfinito e, perci, infinitamente pi lungadellaltra. Come sappiamo, lestremit di questa manovella compie un arco che, questa volta,


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sotteso ad un raggio tanto lungo da risultare un assimilabile ad un segmento rettilineo.

Se a questa estremit poniamo un pistone o stantuffo e lo facciamo scorrere in un cilindro,

rappresentiamo ci che accade nel motore a pistoni.

pistone

cilindro

albero motore

pmi pms

Quando la manovella, nel suo movimento rotatorio, verr a coincidere nella stessa direzione della

biella, le lunghezze di ambedue a) una volta si sommeranno e il pistone raggiunger lestremit pi

lontana della sua corsa o punto morto superiore (pms); b) una volta si sottrarranno e il pistone si

avviciner al centro di rotazione sino a raggiungere il punto morto inferiore (pmi).

Nel motore endotermico, i gas combusti spingono sul cielo del pistone provocando il suomovimento verso il pmi; grazie al m. di s. il moto rettilineo e alternato del pistone viene trasformato

in rotatorio e continuo dellalbero motore.

Nella pompa a pistoni avviene la trasformazione contraria: lalbero della pompa viene fatto girare

tramite un motore e il suo moto rotatorio e continuo, grazie al m. di s., viene trasformato in moto

rettilineo e rotatorio del pistone nel cilindro. Lo stesso avveniva con la messa in moto dei motori dei

primi veicoli tramite manovella e lo stesso avviene nella partenza a strappo, dove il movimento

delle ruote viene trasmesso sino ai pistoni. Come si vedr , il prodotto la forza esercitata dai gas

combusti sul pistone (forza che ha il suo massimo in prossimit dellaccensione e poi decresce) peril braccio (che nel m. di s. varia istante per istante), da luogo ad un momento o coppia del motore, la

cui intensit dipende dal numero di giri

.


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CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A RUOTE

M. = MotoreF. = FrizioneC. = CambioA.T. = Albero di trasmissioneD. = Differenziale (veicoli a ruote)S.A. = Semi asseR.F. = Riduttori finaliR. = Ruote

CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A CINGOLI

M. = MotoreF. = FrizioneC. = CambioA.T. = Albero di trasmissioneC.C. = Coppia conica (veicoli con cingoli)S.A. = Semi asseFri.S = Frizione di sterzoFre.S. = Freno di sterzoR.F. = Riduttori finaliR. D. = Ruota (dentata)

M F A.T.C DC.C.

S.A.

R.F.

R.

M F A.T.C D

S.A.

R.F.

R.

M F A.T.CC.C.

S.A.

Fri.S.

Fre.S.

R.F.

Pdp indip Pdp dip.

Pdp indip Pdp dip.


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VEICOLO A TRASMISSIONE IDRAULICA

M. = Motore

P.I. = Pompa IdraulicaCe.I.= Centralina idraulica di comandoCo.I. = Condotte idraulicheM.I. = Motori idraulici (uno per ruota)R. = Ruota

VEICOLO A TRASMISSIONE ELETTRICA

M. = Motore o BatterieG.E. = Generatore ElettricoCe.E.= Centralina elettrica di comandoCa.E. = Cavi elettriciM.E. = Motori elettrici (uno per ruota)R. = Ruota

M/B G.E. Ce.E. Ca.E. M.E.

R.

M P.I. Co.I.Ce.I. M.I.

R


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Dip. GeSA. CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 35/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] IV - Motori termici

CAPITOLO IV

MOTORI TERMICI

Nei MOTORI TERMICI il calore prodotto dalla combustione di un combustibile viene trasformato

in energia meccanica.

Nei MOTORI ESOTERMICI la combustione che produce lenergia termica avviene esternamente

al luogo ove si sviluppa il fluido attivo capace di produrre lavoro meccanico. Esempio: motori a

vapore, dove il calore generato dalla combustione riscalda il fluido (es.: acqua) che dar luogo alla

produzione di energia meccanica (spingendo sul cielo di un pistone ne provocher lo spostamento).In un motore esotermico pu essere utilizzato qualsiasi combustibile (legna, carta, sansa, carbone,

metano, etc), sotto qualsiasi forma (solida, liquida, gassosa). Semplificando con un esempio di tutti

i giorni, si pu ricorrere allimmagine della pentola sul fuoco (ottenuto bruciando qualsiasi

combustibile). Il fuoco riscalda lacqua, la quale acqua cambiando di stato produce quel vapore che

spinger il coperchio della pentola producendo lavoro meccanico (nel motore a vapore, invece del

coperchio della pentola, si sposter il pistone).

Nei MOTORI ENDOTERMICI la combustione avviene allinterno del fluido che produce lavoro

meccanico: un unico fluido viene sottoposto a combustione, produce gas (i gas della combustione) elavoro meccanico. Infatti, nel cilindro si brucia un combustibile immesso sotto forma di goccioline

minutissime, il quale combustibile, incendiandosi per effetto di scintille scoccate nellistante

MOTORITERMICI

ESOTERMICI ENDOTERMICI

Ciclo Otto

Ciclo Diesel

Ciclo Sabath


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opportuno (motore ad accensione provocata) o per effetto del calore provocato dalla compressione

(motore ad accensione spontanea), si trasforma in gas che si espande e spinge verso il basso il

pistone o stantuffo (come il vapore dacqua spinge il coperchio della pentola oppure lo stantuffo delmotore a vapore). In questi motori pu essere utilizzato solo combustibile allo stato liquido o

gassoso (come i derivati del petrolio).

MOTORI PER LA LOCOMOZIONE

Il fluido in espansione (che sia vapore dacqua, oppure gas ottenuto dalla combustione di un

combustibile fluido) genera lavoro meccanico che arriver alle ruote (nel caso dei veicoli) grazie al

manovellismo di spinta biella manovella costituito allalbero motore (nel quale il moto si

trasforma da rettilineo alternato a rotatorio continuo) e, successivamente, alla seguente catenacinematica che trasferir alle ruote il moto rotatorio ottenuto alluscita dellalbero motore; grazie al

rotolamento delle ruote e considerando il piano di appoggio (strada, terreno) piatto in quanto

superficie di un ingranaggio avente raggio infinito) il moto rotatorio continuo delle ruote stesse

consente lo spostamento del veicolo su un piano. Attualmente, per la locomozione agricola i motori

pi usati sono quelli endotermici che seguono il ciclo Sabath.

CICLI DEL MOTORE ENDOTERMICO

Il motore che impiega come combustibile una miscela aria-benzina (un tempo ottenuta tramite ilcarburatore, oggi mediante dispositivi di iniezione nei motori common rail) segue il ciclo

termodinamico Otto, dal nome del suo inventore. Come tutti i cicli termodinamici (v. il ciclo di

Carnot), esso pu essere rappresentato su un piano cartesiano ponendo in relazione la pressione

nella camera di scoppio (spazio compreso fra il cielo del pistone e la testata del cilindro al momento

della combustione) e volume della camera stessa (sulle ascisse). Semplificando, il ciclo Otto

caratterizzato da una impennata verticale della pressione al momento dellaccensione del

combustibile, tanto che viene ancora comunemente chiamato, secondo una definizione per

abbandonata sul piano del rigore tecnico, motore a scoppio. Il tratto che rappresenta

linnalzamento della pressione verticale perch essa talmente repentina da verificarsi senza che

il pistone abbia il tempo di spostarsi in basso e, perci, a volume costante. Questi motori utilizzano

derivati del petrolio adeguatamente raffinati (benzine), che vengono iniettati nel pistone

adeguatamente miscelati con aria (i combustibili che vengono miscelati con aria secondo

proporzioni determinate vengono chiamati carburanti).

Il ciclo Diesel (propriamente detto) oggi in disuso nella motoristica per autotrazione o in

agricoltura ( ancora in uso, per esempio, nei motori marini). Allopposto di quanto accade nel ciclo

Otto, sul piano cartesiano il tratto che rappresenta la combustione rappresentato da un segmentoorizzontale, in quanto la combustione stessa, pur avvenendo in un tempo ridottissimo, pu essere

definita lenta; lenta al punto che il pistone ha il tempo di spostarsi verso il basso provocando


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laumento del volume della camera di combustione contemporaneamente alla combustione stessa. I

motori che seguono il ciclo Diesel propriamente detto erano in dotazione delle trattrici a testa

calda (ancora oggi possono trovarsi in funzione e sono comunque oggetto di collezionismo) convelocit medie di 450 500 giri min-1. Questi motori utilizzano gasolio o derivati del petrolio,

anche non particolarmente raffinati. Nel cilindro essi vengono iniettati allo stato puro (senza

premiscelazione con aria) sotto forma di goccioline mediante dispositivi chiamati iniettori (forniti di

polverizzatori). Laccensione del combustibile finemente polverizzato avviene per effetto

dellincontro delle goccioline di combustibile con laria contenuta nella camera di combustione resa

rovente dalla elevata compressione alla quale essa sottoposta mano a mano che il pistone di sposta

verso il punto morto superiore.

I motori endotermici oggi comunemente utilizzati per equipaggiare veicoli agricoli seguono il cicloDiesel Veloce (detto anche Sabath), a 4 tempi (vedi sotto). Si tratta della stessa categoria di

motori utilizzati per lautotrazione, contraddistinti da velocit di rotazione usualmente inferiori ai

5000 giri min-1. In verit, nei motori in dotazione alle trattrici agricole raro che le velocit

superino i 3000 giri min-1. In questi motori la combustione avviene a velocit intermedie rispetto

agli altri due, tanto che il segmento che rappresenta tale fase inizialmente verticale (accensione

rapida e perci con pressione costante nella camera di scoppio, come nel motore a ciclo Otto) e poi

orizzontale, per via dellaumento del volume della camera dovuto allo spostamento del pistone

verso il basso. Questi motori utilizzano gasolio, secondo le modalit presentate per il motore Diesel.Notazione terminologica. NON si dice a Diesel o a Diesel veloce, bens Diesel, Diesel

veloce, se si vuole preceduti da a ciclo.

Perch durano di pi i motori Diesel?

I motori Diesel sono motori che compiono meno giri al minuto e dunque si logorano di meno ed

hanno vita pi lunga!

TEMPI (O FASI) DEL MOTORE ENDOTERMICO

In funzione dei giri dellalbero motore necessari per effettuare un ciclo completo, i motori termici si

suddividono in:

MOTORI A 4 TEMPI: completano il loro ciclo in 2 giri dellalbero motore e perci in 4 corse del

pistone (2 salite e 2 discese). Le fasi sono le seguenti: aspirazione compressione espansione

scarico. Nella prima aspirazione - il pistone si muove verso il basso o verso il punto morto

inferiore - pmi e mentre ci avviene il fluido (aria + combustibile) viene aspirato nel cilindro

(mediante lapertura della valvola di aspirazione posta in cima al cilindro). Nella seconda

compressione il pistone corre verso lalto (verso il pms) comprimendo il fluido precedentemente

aspirato fra se stesso e la testata del cilindro. Al termine della corsa del pistone (in realt poco prima

che questo raggiunga il pms) si ha laccensione (provocata dalla scintilla nei motori a ciclo Otto o


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spontanea nei motori a ciclo Diesel e derivati); come si pu comprendere, laccensione NON una

fase a parte. Nella terza fase o tempo espansione il pistone, spinto dai gas prodotti dalla

combustione, torna a dirigersi verso il pmi, provocando la rotazione dellalbero motore per effettodel manovellismo di spinta biella - manovella. Nella quarta scarico il pistone per effetto

inerziale dovuto alla fare precedente torna verso il pms e nel suo movimento provoca lo scarico dei

gas combusti (che attraverso il collettore e la marmitta raggiungeranno lambiente esterno) grazie

alla apertura della valvola di scarico posta in cima al cilindro.

Nota importante. Come si pu notare, solo la fase di espansione lunica utile del motore termico a

4 tempi, poich solo essa produce energia tale da provocare la rotazione del manovellismo di spinta

e, perci, la produzione di moto (quella dellespansione lunica corsa attiva). Invece, durante le

altre tre fasi il movimento del pistone avviene per effetti inerziali, ovvero a spese del moto prodottodurante lespansione.

MOTORI A 2 TEMPI: Sono quelli che co

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