Modulo di Fondamenti di Costruzione di Macchine

Prof. Pietro Salvini

salvini@uniroma2.it

Programma:

Richiami sulla cinematica del punto materiale e dei corpi rigidi.

Sistemi vincolati. Condizioni di equilibrio del punto materiale e del corpo rigido.

Sistemi di forze equivalenti. Sistemi labili, isostatici e iperstatici.

Reazioni vincolari ed azioni interne. Soluzione di strutture a sviluppo

reticolare.

Geometria delle aree. Stati di tensione in elementi monodimensionali (travi): trazione,

flessione, taglio, torsione.

Deformazione di strutture di elementi monodimensionali. Principio dei lavori virtuali.

Studio e risoluzione della deformata elastica di strutture piane composte da travi.

Risoluzione di instabilità dell’equilibrio elastico.

Tensori per la valutazione degli stati di tensione e di deformazione nei corpi elastici,

casi notevoli.

Proprietà strutturali dei materiali. Caratterizzazione meccanica dei materiali.

Criteri di rottura e loro uso per effettuare verifiche strutturali. Dimensionamento di assi

ed alberi a sollecitazione e deformazione.

Testi consigliati:

Fondamenti di costruzione di macchine

(Bernasconi, Filippini, Giglio, Lo Conte, Petrone, Sangirardi),

McGrawHill.

Meccanica dei solidi, Elementi di Scienza delle costruzioni

(Beer, Johnston, DeWolf)

McGraw Hill.

Appunti e lucidi resi disponibili dal docente

La Costruzione di macchine si occupa dei criteri

generali per la progettazione di macchine di ogni tipo:

Aerei, automobili, treni, escavatori, …

Ciascuna macchina è caratterizzata da una funzione

predominante ed eventualmente altre secondarie

Ogni macchina a sua volta si compone di sottosistemi

(macchine) ciascuno avente una sua sottofunzione

Scomponendo ulteriormente i componenti delle macchine, si determinano un insieme di

sottocomponenti elementari, che determinano gli elementi delle macchine, caratterizzati

ciascuno da una determinata funzione

• Assi e alberi

• Collegamenti fissi

• Trasmissioni di potenza

• Cuscinetti

• Giunti, innesti e frizioni

• Freni

• Molle

• Motori elettrici

• Turbine

• ….

Ciascuno di questi elementi viene

progettato secondo criteri di

verifica/resistenza suoi propri che

costituiscono l’asse della

progettazione meccanica

ASSI, ALBERI E PERNI

Gli alberi trasmettono potenza meccanica attraverso un momento torcente

Gli assi possono essere rotanti o fissi e sono sollecitati principalmente a flessione

I perni sono in genere fissi ed essendo corti sono principalmente sollecitati a taglio

Albero Asse rotante Perno

Collegamenti fissi o smontabili

Saldature o brasature

Costituiscono un collegamento non smontabile che

comporta la generazione di un unico componente dal

punto di vista strutturale

Collegamenti bullonati o flange

Costituiscono un collegamento smontabile,

preciso ma costoso, capace anche di

realizzare tenute di fluidi in pressione

Collegamenti forzati

Costituiscono un collegamento non

facilmente smontabile, economico ma non

di grande precisione

La coppia che si può trasmettere è ridotta

Cuscinetti volventi o striscianti

Sostengono assi e alberi rotanti sui carter, alberi concentrici in moto relativo, …

Giunti, innesti, frizioni, limitatori di coppia

Sono connessioni stabili, con

caratteristica spesso smorzante

e in grado di assorbire “strappi”

alla coppia torcente

Oppure possono essere ad

innesto a fermo od in moto

(frizioni) Elementi elastici

Freni a tamburo, disco, elettromagnetici, …

Molle ed elementi elastici

La funzione è quella di accumulare e restituire

energia meccanica in forma elastica

Ma anche di diminuire i sovraccarichi dinamici

Applicazione di una forza di valore determinato 1)

Richiamo in posizione di un determinato componente 2)

Tipiche funzioni delle molle sono:

Riduzione di vibrazioni causate da irregolarità o dinamica 3)

Immagazzinamento più o meno transitorio di energia

meccanica

4)

La Costruzione di Macchine, per tutti questi elementi di macchine e molti altri ancora,

fornisce strumenti di studio e calcolo per il dimensionamento e la verifica dei componenti

Molteplici possono essere le verifiche da considerare (a seconda del problema affrontato)

Rottura sotto carico statico

Snervamento della struttura

Deformazioni o frecce sotto carico

Instabilità statica o dinamica della struttura

Rottura per carichi ripetuti (fatica)

Rotture dovute ad eccessive concentrazioni di tensioni

Rotture causate da difetti strutturali (meccanica della frattura)

Sollecitazioni dovute a risonanze o amplificazione dinamica

Combinazione di carichi a temperature elevate (creep)

Effetti di urti o carichi transitori rapidamente variabili

Corrosione localizzata o diffusa

Eccessiva Potenza acustica emessa durante il funzionamento

Una verifica si esplica con una disuguaglianza tra la condizione limite che porta

all’incipiente condizione di fuori servizio e quella di effettivo funzionamento

Questa logica comporterebbe

la sistematica prova di ogni

componente

Costi insopportabili

In termini tensionali

eammissibilideale

E’ la tensione

corrispondente alle reali

condizioni di

funzionamento

E’ la tensione ammissibile

nel materiale per le

condizioni d’uso

considerate

Queste grandezze non sono “dimensionalmente” affini

Per ovviare all’incongruenza si valuta la tensione ammissibile

utilizzando la tensione limite ed il coefficiente di sicurezza

limiteeammissibilX

1 limite

idealeX

La tensione limite viene valutata

sperimentalmente in condizioni il

più possibile “standard” ossia su

adatti provini

Il coefficiente di sicurezza non è

altro che un tentativo di rendere i

due termini della disuguaglianza

congruenti

Esso cresce con le

incertezze legate alla

disuguaglianza

Idealmente, la si vorrebbe

caratteristica del solo materiale

In realtà occorrono considerazioni di ordine statistico per valutare come il coefficiente di sicurezza

possa collegarsi all’affidabilità - vero obiettivo della verifica strutturale

AFFIDABILITA’

Probabilità che un determinato componente possa realizzare la sua missione di vita

Ulteriori considerazioni

L’analisi delle sollecitazioni di un componente meccanico può essere

spinta a qualsivoglia grado di approfondimento

Occorre valutare l’ottimale livello di studio

Bisogna identificare gli strumenti idonei all’approfondimento stimato

Esempi

• Verifica a pressione statica

• Verifica del sistema appoggio

• Effetto del peso liquido

• Sovraccarichi dinamici

• Corrosione ambientale

• Verifica saldature

• Difettosità ammissibile

• Resistenza a piccoli urti

• Resistenza a incidenti gravi

• Progettazione a hoop stress

• Verifica saldature

• Verifica isolamento galvanico

• Verifica danneggiamenti esterni

• Effetto terremoti o smottamenti

• Arresto eventuali fratture

• Difettosità ammissibile

• monitoraggio erosione interna

Costi crescenti