Appunti di meccanizzazione forestale
Prof. Andrea Colantoni
Appunti di meccanizzazione forestale
Prof. Andrea Colantoni
MECCANICA E
MECCANIZZAZIONEMECCANICA
ASPETTI ingegneristico qualitativo ambientale
FINALITA’ - studio delle macchine in funzione: della destinazione della composizione del principio di funzionamento del modo di operare in campo delle prestazioni
MECCANIZZAZIONE
PROBLEMATICHE scelta delle macchine utilizzazione delle macchine
OBIETTIVI - ottimizzazione dell’impiego in funzione: dell’ambiente della capacità di lavoro della tempestività della manodopera disponibile dell’impegno finanziario della convenienza economica
ALFABETO GRECO E SIMBOLOGIA
Α αααα Alfa Η ηηηη Eta Ν νννν Ni Τ ττττ Tau
Angoli piani Rendimento Viscos. cinematica Sforzo tangenziale
Β ββββ Beta Θ θ Teta Ξ ξ Csi Υ υ Ipsilon
Angoli piani
Γ γγγγ Gamma Ι ι Iota Ο ο Omicron Φ φφφφ Fi
Peso volumico Angolo di rotazione
∆ δ∆ δ∆ δ∆ δ Delta Κ κ Cappa Π ππππ Pi Χ χ Chi
Incremento finito Increm. infinitesim.
Angolo piano
Ε ε Epsilon Λ λ Lambda Ρ ρρρρ Ro Ψ ψ Psi
Massa volumica
Ζ ζ Zeta Μ µµµµ Mi ΣΣΣΣ σσσσ Sigma ΩΩΩΩ ωωωω Omega
Viscos. dinamica Micro
Sommatoria Sforzo normale
Ohm Velocità angolare
SISTEMA INTERNAZIONALEGRANDEZZE FONDAMENTALI
• Angolo piano rad• Angolo solido sr• Lunghezza m• Tempo s• Massa kg• Temperatura °C• Corrente elettrica A• Intensità luminosa cd• Quantità di sostanza mol
MULTIPLI SOTTOMULTIPLI
da 101 deca d 10-1 decih 102 etto c 10-2 centik 103 chilo m 10-3 milliM 106 mega µ 10-6 microG 109 giga n 10-9 nanoT 1012 Tera p 10-12 picoP 1015 Peta f 10-15 femtoE 1018 Exa a 10-18 atto
Nelle grandezze derivate non deve essere usato l’aggettivo “specifico” ma termini analitici esplicativi: no “massa specifica” o “densità“; sì “massa volumica”; no “calore specifico”; sì “capacità termica massica”.
Consentito: t (tonnellata al posto di Mg); ha (ettaro al posto di 10.000 m2); L (litro al posto di dm3); °(grado sessagesimale: 180°= π rad); h (ora); min (minuto).
Non consentito nelle unità di misura derivate il grado centigrado (°C) ma il grado assoluto (K) (TA = TC + 273,15). m3°C , per esempio, può generare confusione.
RICHIAMI DI MECCANICA APPLICATA
ALLE MACCHINE FISICA: lo studio dei fenomeni fisici, quelli che non sono attinenti alla vita
(biologia) e che non alterano permanentemente la costituzione dei corpi (chimica).
MECCANICA: quella parte della fisica che studia il moto dei corpi (cinematica e dinamica) e il loro equilibrio (statica).
GRANDEZZA FISICA: qualsiasi entità misurabile e caratterizzata da un valore numerico e da un’appropriata unità di misura.
MISURA: sottintende un metodo e uno strumento adatto e, soprattutto, la riproducibilità della stessa nello spazio e nel tempo.
- diametro interno di un cilindro o “alesaggio” d
- superficie del cerchio di base S = π d2 /4
- volume del cilindro V = S x h
Es.: d=100 mm; h=110 mm. S=7854 mm2; V=864 cm3
GRANDEZZE FISICHE SCALARI: sono caratterizzate solo da un valore numerico e dalla rispettiva unità di misura (lunghezza, superficie, volume, massa, temperatura, viscosità, lavoro, potenza...)
Alcune grandezze fisiche sono caratterizzate solo da un valore numerico: NUMERI PURI o GRANDEZZE ADIMENSIONALI (angolo piano o solido, coefficiente di resistenza aerodinamica - Cx -, coefficienti di attrito e di rotolamento...)
GRANDEZZE FISICHE VETTORIALI: sono caratterizzate da un valore numerico (“modulo”), da una unità di misura, da una direzione e da un verso (velocità, accelerazione, forza, momento di una forza, coppia...)Es.: FORZA PESO P=mg g=9,806650... m/s2 (a 45°lat. e a l.m.m.)
direzione N-Sverso da Sud a Nord
Vettori applicati: per i corpi deformabili non si può prescindere dal punto di applicazione della forza. In questo caso le forze vanno considerate come vettori applicati ad un punto. Nel caso di corpi rigidi (o assimilabili) questo non è necessario.
CINEMATICA Studio del moto indipendentemente dalle cause che lo
determinano.
VELOCITA’ (tangenziale): in via semplificata è lo spazio percorso nell’unità di tempo.Grandezza vettoriale: direzione tangente alla traiettoria e verso quello di avanzamento.Unità di misura di base: m/s (o ms-1) 1 m/s = 3,6 km/h
ACCELERAZIONE: variazione della velocità nell’unità di tempo.Grandezza vettoriale: si decompone in due componenti:- accelerazione tangenziale: come la velocità;- accelerazione normale (o radiale o centripeta): ortogonale alla precedente e “verso” verso il centro di curvatura della traiettoria(in un moto rettilineo si ha solo l’accelerazione tangenziale)Unità di misura di base: m/s2 (o ms-2)
Moto circolare uniforme:v (tangenziale) sempre costante in modulo, ma
variabile in direzione e versoaccelerazione solo normale (centripeta)
Si definisce velocità angolare (ω) l’angolo descritto nell’unità di tempoUnità di misura = rad/sDirezione: ortogonale al piano di rotazioneVerso: quello da cui si vede avvenire il moto in senso antiorario
Accelerazione centripeta:ac = ω2 r = v2/r v = velocità tangenzialev = ω r r = raggio
Es.: Orologio velocità angolare lancetta dei minuti:ωm = 2π/h = 6,28 rad/hvelocità angolare lancetta delle ore:ωh = 2π/12h = 0,52 rad/h
- direzione ortogonale al piano dell’orologio;- verso: quello che va dal quadrante verso l’interno.Es.: Albero motore che ruoti a 2000 giri/min: ω = 2π x 2000 /60 = 209 rad/s
DINAMICA Studio delle cause che determinano il moto dei corpi
Primo, seconda e terza legge di Newton
FORZA = massa x accelerazione
F = m . a Grandezza vettoriale: direzione e verso quelli dell’accelerazione risultante
Unità di misura: newton (N)(forza che, applicata ad un chilogrammo massa, ne determina l’accelerazione di 1 m/s2)
Relazione tra massa e forza peso:Fp = mg (g = accelerazione di gravità)g è variabile, quindi Fp variabile con g
Se si considera l’accelerazione di gravità “normale” (g = 9,81 m/s2) il peso di un chilogrammo di massa è:
Fp = 1 kg x 9,81 m/s2 = 9,81 N
Nel sistema “pratico” di unità di misura (abolito dal Sistema Internazionale) l’unità fondamentale è il chilogrammo peso o forza (kgp o kgf): il peso del chilogrammo massa sottoposto all’accelerazione di gravità “normale”: 1 kgp = 9,81 Nma si può anche affermare che un chilogrammo massa “pesa”, in condizioni “normali”, 1 kgp.
MASSA VOLUMICA (ρ): massa dell’unità di volume della sostanza considerata.Grandezza scalareUnità di misura: kg/m3
Per l’acqua: ρ = 1.000 kg/m3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/L (anche se ρ varia con la temperatura)
PESO VOLUMICO (γ): peso dell’unità di volume della sostanza considerata.γ = ρ g (g = accelerazione di gravità)Grandezza scalareUnità di misura: N/m3
Per l’acqua: γ = 1.000 kgp/m3 x 9,81 m/s2 = 9.810 N/m3
PRESSIONE (p): forza esercitata sull’unità di superficie.p = f/SGrandezza scalareUnità di misura: N/m2 = Pa (pascal)1 kgp/cm2 = 9,81 N x 104 m-2 = 98.100 Pa = 98 kPa1 atm = 1,033 kgp/cm2 = 101.000 Pa = 101 kPa (N.B.: atm non S.I.)1 bar = 100 kPa (per definizione)Pressione in un liquido: p = ρgh (h = battente per il punto considerato)
- uguale in ogni direzione (distribuzione idrostatica); normale alla superficie considerata;sempre di compressione.
COMPOSIZIONE E SCOMPOSIZIONE DI
VETTORI
MACCHINA Qualsiasi dispositivo fisico in grado di ampliare le capacità
umane (orologio; macchina da scrivere; computer; televisore; frigorifero; automobile; trattore).
In senso termodinamico o solo meccanico: un qualsiasi dispositivo fisico in grado di convertire una fonte energetica in ENERGIA MECCANICA o solo di trasmettere dell’ENERGIA MECCANICA.
- come finalità utile
Eu - come calore utile (generatori di calore...)
- come energia meccanica utile
Ei = Energia (o fonte energetica) in ingressoEu = Finalità o Energia utileEd = Energia degradata (calore a bassa
temperatura)
MACCHINE MACCHINA SEMPLICE: dispositivo costituito da un solo organo (leva,
carrucola - paranco -, cuneo, piano inclinato). Le macchine semplici riducono la forza motrice necessaria a compiere un certo lavoro utile (ma il lavoro rimane sempre uguale).
MACCHINA COMPOSTA: dispositivo costituito da un insieme di organi mutualmente vincolati.
MACCHINA (COMPOSTA) MOTRICE O MOTORE: quella che fornisce lavoro motore (forza motrice) o prevalentemente lavoro motore (trattore agricolo).
MACCHINA (COMPOSTA) OPERATRICE: quella che trasforma lavoro motore in lavoro utile ed è dotata di specifici organi operatori: FISSE: pompe, ventilatori ...
- trainate MOBILI: aratri, scavapatate, seminatrici ... - semiportate
- portate SEMOVENTI: mietitrebbie, falciatrinciacaricatrici (FTC) ...
MACCHINA (D.Lgs. 17/2010)1) insieme equipaggiato o destinato ad essere equipaggiato di un sistema di azionamento
diverso dalla forza umana o animale diretta, composto di parti o di componenti, di cui almeno
uno mobile, collegati tra loro solidamente per un'applicazione ben determinata;
2) insieme di cui al numero 1), al quale mancano solamente elementi di collegamento al sito di
impiego o di allacciamento alle fonti di energia e di movimento;
3) insieme di cui ai numeri 1) e 2), pronto per essere installato e che può funzionare solo dopo
essere stato montato su un mezzo di trasporto o installato in un edificio o in una costruzione;
4) insiemi di macchine, di cui ai numeri 1), 2) e 3), o di quasi-macchine, di cui alla lettera g - )
«quasi-macchine»: insiemi che costituiscono quasi una macchina, ma che, da soli, non sono
in grado di garantire un'applicazione ben determinata; un sistema di azionamento è una
quasi macchina; le quasi-macchine sono unicamente destinate ad essere incorporate o
assemblate ad altre macchine o ad altre quasi-macchine o apparecchi per costituire una
macchina disciplinata dalla presente decreto;), che per raggiungere uno stesso risultato sono
disposti e comandati in modo da avere un funzionamento solidale;
5) insieme di parti o di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro solidalmente e
destinati al sollevamento di pesi e la cui unica fonte di energia è la forza umana diretta
MACCHINA SEMPLICE: PIANO INCLINATO
Sollevare un peso mg ad una altezza h: peso troppo elevato: come diminuire la forza richiesta?
Piano inclinato + attrito di rotolamento (ruota)
Fm > fv mg cosα + mg senα == mg (cosα fv + senα)
Es.: per α = 20°:Fm = (0,0188 + 0,342) mg = = 0,36 mg < mg
Lm > (fv mg cosα + mg senα) (h/senα) = fv mg cosα/senα h + mgh == mgh (1 + fv/tgα)Es.: per α = 20°: Lm = 1,055 mgh > mgh
Attr. di rotolamento
MACCHINA SEMPLICE: PARANCO
O TAGLIA
RESISTENZE PASSIVE
RESISTENZA DI RIGIDEZZA DEGLI ORGANI FLESSIBILI(cinghie, catene, funi, nastri…) a causa della loro non perfetta elasticità (flessibilità)
RESISTENZA DI ATTRITO RADENTEnel caso di corpi che strisciano lungo una superficie di contatto e dovuta alla scabrezza e alle forze di adesione lungo la superficie di contatto
RESISTENZA DI ROTOLAMENTO (o ATTRITO VOLVENTE)nel caso di un corpo che rotola su una superficie e dovuta alle deformazioni non elastiche dei corpi in contatto e alle asperità (urti) presenti
RESISTENZA o ATTRITO DEL MEZZOnel caso dei corpi che si muovono immersi in un fluido (“resistenza aerodinamica” nel caso dell’aria)
RESISTENZA DI ATTRITO INTERNO DI UN FLUIDO IN MOVIMENTOresistenza allo scorrimento di un fluido dovuta alla viscosità (lubrificazione)
RESISTENZA DI RIGIDEZZA DEGLI ORGANI FLESSIBILINon perfetta elasticità di catene, cinghie, funi, quando sono avvolte intorno a pulegge (carrucole, tamburi) o ruote dentate.
Organi perfettamente elastici:Q(r+b) = P1(r+b) Q = P1
Organi anelastici:P2 = [(r+b)/(r-b1)]Q = cr Q P2 > Q
cr coefficiente (adimensionale) > 1Per funi, cinghie:cr = c1(d2/D)
c1 = coefficiente sperimentale (dimensionale)d = diametro o spessore del flessibileD = diametro puleggia = 2 rcr tende a 0 per d2 << D
Per catene: cr = c2(d/D)
d = diametro elemento costituente la magliac2 = coeff. adimensionale sperimentale pari a 0,2 per
catene lubrificate e a 0,3 per catene asciutte
Prescrizione di legge per funi metalliche:
D > 25 de
D > 300 φ fili costituenti la fune
RESISTENZA DI ATTRITO RADENTECAUSE: scabrezza delle superfici e forze di adesione.
Se il corpo si muove su una superficie a velocità costante (nessuna accelerazione e nessuna forza di inerzia –ma) occorre applicare una forza T: esiste allora una forza di attrito al contatto pari ad A. Per l’equilibrio rispetto alla direzione x:
T + A = 0 scalarmente, proiettando su x:
T – A = 0 T = ASperimentalmente risulta: A = fa Fn
con Fn = forza che agisce normalmente alla direzione di moto tra le due superfici in contatto;fd = coefficiente di attrito “dinamico” (o “cinematico” o “radente”) (adimensionale)
• fd dipende fortemente dallo stato e natura delle superfici in contatto
• fd è indipendente, entro certi limiti, dalla pressione di contatto (p = Fn/S) e dalla velocità
RESISTENZA DI ATTRITO RADENTE: coefficiente di primo distacco
Se il corpo è inizialmente fermo, occorre applicare una forza T’>T per metterlo in moto
T’ = fs Fn fs > fd
F senϕ = fs F cosϕ
fs = senϕ / cosϕ = tgϕ
piano inclinato –> il corpo rimane fermo finché non si raggiunge una certa inclinazione (ϕ) del piano inclinato. fs è il coefficiente di “attrito statico” o di “primo distacco”.
ESPERIENZA DI GALILEI:
CUSCINETTO DI STRISCIAMENTO: 1 = cuscinetto o boccola o mozzo (fisso)2 = perno (mobile)r = raggio del pernoρ = r senϕ = raggio di attritoMp = momento di attrito
Mp = Rt r = tgϕ Ri r = senϕ r (Ri / cosϕ) = R ρ
La reazione R che agisce sul perno è sempre tangente al cerchio di attrito.
Rt
COEFFICIENTI DI ATTRITO STATICO E DINAMICO
Materiali a contatto Stato delle superfici fs fd
Metallo su metalloSecche 0,30 0,15 ÷ 0,20
Levigate e lubrificate - 0,03
Pneumatico su asfaltoSecco 0,8 ÷ 0,9 0,75
Bagnato 0,5 ÷ 0,7 0,45 ÷ 0,60
Pneumatico su terra battutaSecca 0,68 0,65
Bagnata 0,55 0,40 ÷ 0,50
Pneumatico su neve Pressata 0,20 0,15
Pneumatico su ghiaccio - 0,10 0,07
RESISTENZA DI ROTOLAMENTOCAUSE: deformazioni al contatto e asperità presenti.
Per mantenere in rotolamento una ruota di raggio r a velocità costante v e caricata da una forza G centrata, si deve applicare una forza F nella direzione e nel verso di avanzamento. Per l’equilibrio dinamico (in assenza di accelerazioni) la risultante R applicata alla ruota deve passare per il centro della ruota (stesso punto di applicazione di G e F) e devono valere le relazioni: G = Rn ; F = Roe, per l’equilibrio dei momenti rispetto a O (centro della ruota):Rn u = Ro r -> Ro = F = (u / r)Rn = fv Gcon fv coefficiente di attrito di rotolamento = u / r
Ro si può interpretare come una resistenza di rotolamento (che si oppone al moto)Per l’attrito di rotolamento la reazione del terreno sulla ruota è spostata in avanti di u e passa per il centro della ruota (deformazioni mutue ruota e terreno con pressioni non simmetriche al contatto).Quanto grande u? -> per fv = 0,02 -> u = 2% del raggio della ruota
RESISTENZA DI ROTOLAMENTO
L’attrito di rotolamento dipende anche dalla deformabilità del terreno (es.: sabbia…)
… dagli urti che avvengono, lungo il percorso, con le asperità presenti.
In questo caso le perdite per urto sono proporzionali al quadrato della velocità.
Per rotolamento di pneumatici su strade asfaltate (fvaumenta al diminuire di p): c0 = 0,01 ÷ 0,02
fv = c0 + c1 v2 c1 = (6 ÷ 8) 10-6 s2/m2
v in m/s
Tipo di pneumatico Asfalto -Calcestruzzo
Suolo duro medio
Sabbia
Autoveicolo 0,015 0,08 0,30
Autocarro 0,012 0,06 0,25
Trattore agricolo 0,02 0,04 0,20
Trattore a cingoli - 0,04 ÷ 0,07 0,08 ÷ 0,13
Questi coefficienti sono assimilabili a quelli globali di “resistenza all’avanzamento” (o di “autodislocamento”) dell’intero veicolo.
COEFFICIENTI DI RESISTENZA AL ROTOLAMENTO (fv)
Prodotto vettoriale dei vettori A e B: vettore prodotto C di modulo C = A B senθ, direzione ortogonale al piano A-B; verso della terna levogira: A come x, B come y, C come z
Il moto di rototraslazione di una ruota è somma di due moti componenti:- moto di traslazione con velocità di avanzamento va uguale a vc per tutti i punti della ruota (vc = velocità del centro della ruota)- moto di rotazione intorno al centro della ruota con velocità angolare ω=va/r (r = raggio della ruota)
Risulta una velocità nulla al punto di contatto (O): centro di istantanea rotazione. Risulta ancora una velocità 2va in sommità della ruota.
y
z
x
PROBLEMI LEGATI AL MOTO DI ROTOTRASLAZIONE
Ruota deformabile: pneumatico
Slittamento delle ruote motrici
PNEUMATICO (Dunlop, 1888: veterinario inglese)
camera d’aria (assente nei tubeless)
copertura (o copertone)– carcassa (o pacco tele)
(diagonale o radiale)– battistrada
FUNZIONI:
sopportare il peso del veicolo
assorbire gli urti per l’asperità del percorso
fornire aderenza in trazione e frenata
fornire stabilità direzionale al veicolo e adeguato controllo in sterzatura
PNEUMATICI: NOMENCLATURACOPERTURE
E = larghezza o ingombro trasversale massimo del pneumatico o corda
R = raggio senza caricoR1 = raggio sotto caricoh = altezza di sezioneh/E = rapporto nominale d’aspetto in %(100: standard; 80: larghi; 70: extralarghi; 65: min.
trattori; 35: Ferrari F40, Lamborghini Diablo)
Φ = diametro di calettamentoCERCHI
F = larghezza internaH = altezza dell’agganciaturaΦ = diametro di calettamento
R1 < r0 < Rr0: raggio di rotolamento: dipende dalla pressione e dal carico normale agente (quello sui cataloghi a pressione
e carico nominale)
c.d.r.: circonf. di rotolamento (dinamica)
PNEUMATICI: DIAGONALI E RADIALIA: tradizionale o diagonaleB: radiale
VANTAGGI DEL RADIALE:1. Ottima aderenza: il pneumatico ruota (avanza) come un cingolo, quindi migliore trattamento del terreno, migliore aderenza e minore slittamento2. Migliore ripartizione della pressione interna che determina una minore compattazione del terreno3. Riduzione dei tempi di lavoro, produttività in aumento4. Economia di carburante in ragione della ridotta resistenza all’avanzamento5. Aumento del rendimento chilometrico (durata anche doppia)6. Comfort di marcia e maggiore salvaguardia degli organi meccanici per l’elevata flessibilità della carcassa7. Minore potenza dissipata nel rotolamento (fino a -40% rispetto al diagonale)
PNEUMATICI: MARCATURA
16.9 Larghezza di sezione espressa in pollici (o mm)
65 Rapporto nominale d’aspetto (h/E in %) (se manca si sottintende 80)
R Struttura radiale (se manca: diagonale)
38 diametro di calettamento in pollici (o mm)
BIB’X Identificazione del pneumatico (proprio di Michelin: X marchio dep.)
Tipo di scultura
140 Indice della capacità di carico: 2500 kg
A 8 Simbolo categoria di velocità: 40 km/h
137 Indice della capacità di carico (2300 kg) per velocità di 50 km/h (B)
RADIAL Indicazione in chiaro della struttura
16.9/65 R 38 BIB’XM
18 140 A 8 137B RADIAL
M18
PNEUMATICIPRESSIONE SUL TERRENO = PRESSIONE DI GONFIAGGIO
(Vero se il pneumatico fosse costituito da sola camera d’aria: organo completamente flessibile)
TIPI DI BATTISTRADA: - per ruote motrici (a centro chiuso; a centro aperto)- per ruote direttrici
SLITTAMENTOÈ difficile realizzare un moto di pura rototraslazione. Una ruota trainata avanza rotolando e strisciando (lo strisciamento non è desiderato).
Una ruota motrice che scarica a terra una forza motrice, in generale avanza rotolando e slittando (si ha puro slittamento quando la ruota motrice ruota sul posto senza avanzare).
Lo slittamento si risolve in una diminuzione della velocità teorica (vt) di avanzamento.
Se la ruota è dotata di una velocità angolare ω la velocità teorica di avanzamento è: vt = ωωωω r (r = raggio della ruota)
Se la velocità effettiva di avanzamento è v, si definisce slittamento:
s =
In percento:
v - v
v = 1 -
v
vt
t t
s% = (1 - v
v) 100
t
∗
Risulta complicato misurare lo slittamento mediante le velocità v e vt.
Le norme di omologazione dei trattori prescrivono la misura, su una base di lunghezza L (> 100 m), del numero di giri delle ruote motrici sotto carico (n) e a vuoto (n0) e lo slittamento è dato da:
Sotto carico: con traino del carro freno che realizza varie forze di traino.
A vuoto: senza traino.
s = n - n
n0 η
s = 1 - s =
n
n0 Rendimento di
slittamento
Le prove per i trattori a ruote avvengono su pista di calcestruzzo o asfalto (tarmacadam) e lo slittamento a vuoto si può ritenere trascurabile.
Per i trattori a cingoli tutto analogo: tutto riferito alla ruota motrice del cingolo (pista di prova un terreno inerbito piano, secco, orizzontale, falciato o brucato, o su terreno di buona aderenza).
Nei trattori 4RM non meccanicamente bloccate o bloccabili insieme, gli slittamenti delle singole ruote possono essere diversi: le norme OCSE prescrivono le singole misure e la segnalazione se i valori differiscono di oltre il 5%.
Nel caso di trattori 4RM è conveniente avere gli stessi slittamenti per l’assale anteriore e posteriore: altrimenti si avrebbero sollecitazioni nelle trasmissioni e strisciamenti (un assale frena rispetto all’altro).
In trattori 4RM con ruote “isodiametriche” è allora importante che la velocità angolare delle ruote anteriori sia uguale a quella delle ruote posteriori (velocità di avanzamento delle anteriori uguale a quella delle posteriori).
È però essenziale che il raggio di rotolamento delle ruote sia uguale, condizione non facile da soddisfare:
- non prevedibilità di trasferimento dei carichi in lavoro;- pressioni di gonfiaggio diverse;- diversa usura del battistrada.
Nel caso di trattori 4RM con diametro delle ruote anteriori diverso da quello delle posteriori è difficile dare indicazioni. Le case costruttrici “anticipano” (più veloci) le anteriori per fare in modo che queste non siano di freno alle posteriori.
Le pressioni di gonfiaggio di un pneumatico agricolo variano tra 50 e 300 kPa (0,5 ÷ 3 kgp/cm2). Se il pneumatico fosse un organo completamente flessibile la pressione di scarico a terra sarebbe pari alla pressione di gonfiaggio: all’aumentare del carico verticale agente aumenterebbe l’area di impronta, ma non la pressione di scarico al suolo.
Questo non è vero a causa della rigidità del copertone, ed è tanto meno vero quanto sono più elevate le pressioni di gonfiaggio (oltre 2,5 ÷ 3 kgp/cm2 il pneumatico si comporta come un organo rigido).
Si ha, quindi, la convenienza ad avere pressioni di gonfiaggio basse per i pneumatici agricoli, in modo da avere basse pressioni al suolo perciò un contenuto costipamento del terreno. Pressione esercitata sul terreno da uomo fermo calzato: circa 0,2 kgp/cm2 = 20
kPa.
Se l’uomo cammina: 0,2 ÷ 1,5 kgp/cm2 = 20 ÷ 150 kPa.
Una donna con tacchi a spillo determinerebbe delle pressioni sul terreno estremamente più elevate.
PNEUMATICI
LAVORO: L = F s = F s cosθ (prodotto scalare della forza (F) e del vettore spostamento considerato (s)). In termini semplici: il prodotto di una forza per lo spostamento del suo punto di applicazione misurato nella direzione e verso della forza.Grandezza scalareUnità di misura di base: Nm = J (joule)
POTENZA: P = L / t = (F s cosθ) / t = F v (v = velocità misurata nella direzione e verso della forza)
Unità di misura di base: J/s = W (watt)Vecchie unità di misura: CV = 75 kgpm/s = 736 W
HP = 550 lbpft/s = 746 WUnità di misura consentita per il lavoro, a partire dal watt:kWh = 3.600 x 103 J = 3,6 MJ
+ 1,4%
F media ditrazione
(kgp)
V media(m/s)
P media(W)
Valoriindice
(uomo vapore)
UOMO - - 70-75 1
CAVALLO 100 0,90 883 12
BUE 120 0,65 765 10
MULO 65 0,90 574 8
ASINO 40 0,70 274 4
CaterpillarD 11 N
- - 574.000(574 kW)
7.757
POTENZA MEDIA GIORNALIERA DI ALCUNI MOTORI ANIMATI E NO(Carena, 1947)
MOTI DI ROTAZIONE
MOMENTO DI UNA FORZA rispetto a un punto (o polo) O:M = OP x FGrandezza vettoriale
Modulo = OP F senθ == b F
(b = braccio della forza)
Direzione: ortogonale al piano OP-FVerso: quello da cui si vede avvenire la rotazione intorno ad O in senso antiorario
F
O
P
b=OP senθ
θ
COPPIA: due forze uguali, con verso contrario e direzioni paralleleIl modulo non varia al variare del polo considerato (b = costante)
Il momento di una forza misura l’effetto della stessa rispetto ad un asse di rotazione.PRINCIPIO DELLA LEVA: Fm = Fr a / b
La forza motrice Fm sarà tanto minore quanto maggiore è il braccio b.
LAVORO IN UN MOTO ROTATORIO:L = M α Prodotto scalare tra vettore momento e vettore spostamento angolareL = + M α Se lo spostamento angolare è misurato nel piano ortogonale ad M
POTENZA IN UN MOTO ROTATORIO:P = L / t = (M α) / t = M ω (ω = velocità angolare misurata nella stessa direzione e
verso del momento)
Per un albero motore che ruota a 2.500 giri/minuto erogando una coppia (momento) di 300 Nm: P = 300 x (2.500 x 2π) / 60 = 78.540 W = 78,54 kW
In un moto rotatorio l’inerzia di un corpo è misurata dal MOMENTO D’INERZIA (I) rispetto all’asse di rotazione.M = Ia ω (Ia = momento d’inerzia rispetto all’asse;
ω = accelerazione angolare)Ia =
Assi principali (o “liberi” o “spontanei”) di rotazione: baricentrici e quelli rispetto ai quali si annulla la risultante e il momento risultante delle forze centrifughe (es.: equilibratura delle ruote).
ENERGIA MECCANICA: la capacità di un sistema a compiere lavoro.Ep = m g h energia potenzialeEc = 0,5 m v2 energia cinetica di traslazioneEc = 0,5 I ω2 energia cinetica di rotazione
mr r dmi i
2
i
2
m
∑ ∫=
ASSI PRINCIPALI (o liberi o spontanei) DI ROTAZIONE
Baricentrici e quelli rispetto ai quali si annulla la risultante ed il momento risultante delle forze centrifughe (m ωωωω2 r)
EQUILIBRATURA DINAMICA DELLE RUOTE
(m = massa non bilanciata)
La ruota tende ad oscillare intorno ad O [(A) e (B)].
Se si bilancia con un’altra massa m, ma non sullo stesso piano, si genera una coppia che
tende ugualmente a far oscillare la ruota [(C) e (D)].
STATICA Studio dell’equilibrio dei corpi
Nello spazio: Σ Fe = 0 no traslazioni o accelerazioniΣ Me = 0 no rotazioni (neanche intorno ad un asse
passante per il corpo)L’indice “e” sta per “esterne” (solo forze esterne).
Nel piano xy le condizioni precedenti equivalgono alle tre condizioni scalari:Σ Fx = 0 no traslazioni o accelerazioni lungo xΣ Fy = 0 no traslazioni o accelerazioni lungo y Σ M = 0 (rispetto ad un qualsiasi punto del piano) no rotazioni rispetto a un
qualsiasi asse perpendicolare al piano xy (parallelo a z) o accelerazione angolare rispetto a z (ωz)
CASI PARTICOLARI DI SISTEMI PIANI DI FORZE:- due forze sono equilibrate se costituiscono una coppia di braccio nullo
- tre forze sono equilibrate se concorrono tutte in uno stesso punto e la risultante di due qualsiasi
costituisce una coppia di braccio nullo con la terza
- quattro forze sono equilibrate se la risultante di due qualsiasi costituisce una coppia di braccio nullo
con la risultante delle altre due
y
z
x
RESISTENZE PASSIVE
Sono tutte quelle forze che si oppongono al moto determinando una perdita di energia meccanica in calore.
Sembrano avere connotati solo negativi ma sono essenziali affinché il moto stesso possa avvenire e avvenire in sicurezza:
• messa in marcia di un veicolo (perché c’è sufficiente “aderenza” tra ruota e terreno;
• arresto di un veicolo perché c’è “attrito” ai freni e “aderenza” tra ruota e terreno).
Lo stesso fuoco nel paleolitico e neolitico era gestito per “attrito”.
La stessa vela ha reso possibile la navigazione per la “resistenza aerodinamica” al vento.
RUOTA MOTRICE TRAINANTEΣFx = 0-T - Rt + Ft = 0
ΣFy = 0-Fn + Rn = 0
ΣM = 0R passa per OFt r – Mm = 0
Da 1 Ft = T + RtDa 2 Fn = RnDa 3 Mm = Ft r = (T + Rt) r = Tr + Rt r …e, dividendo tutto per r…:
Fm = Mm / r = Ft = T + Rt
Fm = forza motrice disponibile alla periferia della ruota e di verso contrario a Ft
Fm è la forza che la ruota esercita sul terreno;Ft è la forza di reazione che il terreno esercita sulla ruota ed è quella che agisce nella direzione e verso dell’avanzamento: l’effettiva forza motrice per la ruota.
1
2
3
ADERENZASotto quali condizioni il terreno può applicare alla ruota la forza Ft (= -Fm)?
Ft ≤ fs Fn = ca Fa
ca = coefficiente di aderenza (assimilabile in prima approssimazione a fs)Fa = peso aderente: quella parte del peso del veicolo che si scarica sulle ruote motrici
Ft = fs Fn = ca Fa -> Forza limite di aderenza
- stato e natura delle superfici in contatto (pneumatico radiale, cingolo)
ca - slittamento (cresce, entro certi limiti, al crescere di s)
ADERENZA - pressione gonfiaggio (cresce al decrescere di p)
Ft = ca Fa - peso aderente (zavorratura; doppia traz.: 2 RM -> 4 RM):
Valido anche Fa l’aumento di Fa con le zavorre aumenta, però, la perdita per
per l’intero veicolo autodislocamento
È l’aderenza (Ft) che limita il “tiro” di un trattore, non la sua potenza.
Una teoria elementare dell’aderenza deve spiegare la dipendenza di ca dallo slittamento (s)
ADERENZAPneumatico su mezzo rigido (es.: asfalto…)
r0 = raggio di rotolamento sotto l’azionedel carico verticale nominale e dellapressione di gonfiaggio nominale
r0’ < r0
r0’ = raggio di rotolamento quando èapplicato un momento motore
r0’ è tanto minore quanto maggiore Mme quindi T
s = (vt – v) / vt = (ω r0 – ω r0’) / ω r0 = 1 – (r0’ / r0)
m
v
Fase con slittamenti effettivi ruota-stradaFase elastica
ADERENZAPneumatico su mezzo deformabile (es.: terreno agrario…)
Occorre considerare e introdurre le caratteristiche di resistenza del terreno.
(Analogia: τ come ca; spostamento come “slittamento”)
“Scatola di Casagrande” per la determinazione dei parametri di resistenza del terreno.Applico una forza T per rompere a taglio il provino. La forza T a rottura è funzione di Fn e per vari valori di T e Fn posso ricavare una retta di resistenza: τr = c + σ tgϕ
Un terreno è, in generale, un materiale coesivo (c = coesione) e attritivo (ϕ = attrito interno).
Argille in condizioni non drenate: solo coesive (cu)
ADERENZALa forza limite di aderenza è data da:
Ft = ca Fa = S tr = S (c + σ tgϕ)
ca Fa = c S + σ S tgϕ = c S + Fn tgϕ
ca = c / p + tgϕ * Fa = Fnp = Fa / S (pressione al suolo)S = superficie di appoggio delle ruote motrici
(o dei cingoli)
In un terreno coesivo e attritivo ca dipende essenzialmente da tgϕ (tgϕ >> c/p)
In un’argilla in condizioni non drenate (ϕ ≅ 0) ca dipende da c/p: basse pressioni al suolo sono essenziali.
* Il valore di ca che proviene dalla formula è approssimato per eccesso: quando il terreno “si rompe” sotto la ruota (o il cingolo) non “tutto” ha raggiunto le condizioni limite di rottura.
CARATTERISTICHE c E ϕϕϕϕ PER VARI TERRENI
Terreno c [kPa] cr [kPa] ϕ ϕr
Sabbia asciutta 1,07 - 28° -
Sabbia limosa 1,72 1,38 29° 38°
Argilla drenata 68,95 20,69 34° 6°
Neve 1,03 0,62 20° 23°
Argille limose non drenate (cu) 35÷400 - - -
RESISTENZA AERODINAMICARa = ρ Cx Af v2 / 2 Ra = resistenza aerodinamica
ρ = massa volumica dell’aria (≅ 1,2 kg/m2)Af = area frontale del veicolo (area proiettata su una superficie ortogonale al moto)
v = velocitàCx = coefficiente di resistenza aerodinamica
(adimensionale)
Tipo di veicolo Cx
Autovettura 0,3 ÷ 0,6
“ decapottabile 0,4 ÷ 0,65
“ da corsa 0,25 ÷ 0,3
Autobus 0,6 ÷ 0,7
Autocarro 0,8 ÷ 1,0
Trattore - Roulotte 0,8 ÷ 1,3
Motocicletta e motociclista 1,8
In un trattore a v = 11,11 m/s (40 km/h), con Af = 4 m2 e Cx = 1,1, con ρ = 1,2 kg/m3 si ha:Ra = 1,2 x 1,1 x 4 x 11,112 / 2 = 326 N
Potenza dissipata = P = 11,11 x 326 = 3.622 W ≅ 3,6 kW Se il trattore ha una potenza di 50 kW, la potenza dissipata è pari al 7%.
ESEMPIO DI CALCOLO DI PERDITE DI AUTODISLOCAMENTO
PER UN TRATTORE
Trattore a ruote da 50 kW e massa 3.000 kg
1) Se si muove su asfalto con fv = 0,02 a velocità di 11,11 m/s (40 km/h):
Resistenza all’avanzamento: Ra = fv m gRa = 0,02 x 3.000 x 9,81 ≅ 589 N
Potenza dissipata: P = Ra vP = 589 x 11,11 = 6.544 W ≅ 6,5 kWin percento della sua potenza: (6,5 / 50) x 100 = 13%
2) Se si muove su sabbia con fv = 0,20 a velocità di 2,78 m/s (10 km/h):
Ra = 0,2 x 3.000 x 9,81 = 5.886 N
P = 5.866 x 2,78 = 16.363 W ≅ 16,4 kW
in percento della sua potenza: (16,4 / 50) x 100 = 33%
ESEMPIO DI CALCOLO DELLA FORZA LIMITE DI ADERENZA E DI
TRAZIONE (TIRO)
Trattore a ruote 4 RM da 50 kW e massa 3.000 kg
1)Se si muove su asfalto con ca = 0,80
Forza limite di aderenza: Ft = ca Fa = ca Fn = 0,8 x 3.000 x 9,81 = 23.544 N≅23,5 kN peso totale trattore (4 RM)
Calcolare il tiro massimo T con un coeff. di autodislocamento (fv o ka) di 0,02:
T = Ft – fv Fn = 23.544 – 0,02 x 3.000 x 9,81 = 23.544 – 589 = 22.955 N ≅ 23 kN
Coefficiente di trazione:
CT = T / Fn = 22.955 / (3.000 x 9,81) = 78%
Se il trattore ha una velocità di 5 km/h (1,39 m/s) quanto vale la potenza sviluppata(utile) al gancio? Pu = T v = 23 kN x 1,39 m/s ≅ 32 kW
Quanto vale il rendimento al gancio? ηg = Pu / Pmax = 32 / 50 = 64%
STERZATURA CINEMATICA DI UN
VEICOLO A RUOTE DIRETTRICI ANTERIORIAffinché le ruote in curva ruotino senza strisciare devono avere uno stesso centro di rotazione. Deve risultare:
Po sul prolungamento dell’assale delle ruote (fisse sull’assale);
Angoli di sterzo α e β delle ruote direttrici diversi
Raggio minimo di sterzata (PoC) del veicolo pari a:PoC = r = p / senβ (β = 35°-> r = 1,7 p)
r tanto minore quanto minore p e maggiore α(α ≈ 50°) (per α ≈ 50°-> β ≈ 30°÷ 40°)
(α al massimo = 50°)
p = passo (distanza tra gli assi del veicolo)
c = carreggiata
cotα = PoE / ED cotβ = PoF / FCFC = ED = p
cotβ – cotα = (PoF – PoE) / p = a / pcondizione di sterzatura cinematica esatta affinché tutte le ruote abbiano uno stesso centro di volta.
Difficile da realizzare; ci si accontenta di soluzioni approssimate: quadrilatero di sterzo a bracci (A’C e B’D) paralleli (buona fino ad angoli di sterzo di circa 10°) (Lankesperger 1817; Ackermann) quadrilatero di sterzo trapezio con bracci concorrenti sull’asse posteriore o poco davanti (buona fino a circa 20°) (Janteaud 1878)
STERZATURA CINEMATICA DI UN
VEICOLO A RUOTE DIRETTRICI ANTERIORI
a = distanza tra i perni a snodo ~ carreggiata o scartamento delle ruote anteriori
STERZATURA DEI VEICOLI A RUOTEa)veicolo a volta sempliceb)veicolo a 4 ruote direttrici
con sterzatura in croce (volta corretta)
c) veicolo a 4 ruote direttrici con sterzatura in fase (a granchio)
d)veicolo a sterzatura articolata (telaio non rigido ma con snodo centrale) (volta corretta)
Nel caso a) le ruote interne (e le esterne) percorrono traiettorie in curva diverse (volta semplice). Nei casi b) e d) le ruote interne (e le esterne) percorrono la stessa traiettoria (volta corretta).
Trattori (non articolati): ruote sterzanti anteriori. Mietitrebbiatrici: ruote sterzanti posteriori.
Nel caso a) con ruote anteriori sterzanti la manovrabilità del veicolo è migliore in retromarcia (raggi di volta ruote posteriori minori rispetto anteriori).
STERZATURA DEI VEICOLI A RUOTE:
IL DIFFERENZIALEVEICOLI A VOLTA SEMPLICE
In curva le ruote motrici posteriori (e nei trattori 4RM anche le anteriori) percorrono traiettorie diverse: devono avere velocità di avanzamento diverse esigenza del differenziale (posteriore e, nei 4RM anche anteriore)
In curva comunque l’assale posteriore percorre una traiettoria diversa da
quello anteriore: ad alta velocità si ha (nei 4RM) la necessità anche di un differenziale centrale (A)
4RM ≡ 4WD
4 ruote motrici ≡ 4 wheels driven
FUNZIONAMENTO IN TRANSITORIO E
A REGIME DI UNA MACCHINAIl funzionamento di una macchina presenta:1. Una fase di avviamento: parte dell’energia in ingresso serve per fornire
energia cinetica agli organi; le forze motrici devono inizialmente accelerare gli organi meccanici “vincendo” le forze di inerzia (-ma); Ei>Eu+Ed ∆Ec=Ei-Eu-Ed
2. Una fase a regime: tutti gli organi hanno acquisito un’energia cinetica (media) costante; le prestazioni della macchina rimangono costanti; le forze motrici equilibrano le sole forze resistenti (resistenze utili + resistenze passive); Ei=Eu+Ed
3. Una fase di arresto: viene dissipata in calore tutta l’energia cinetica della macchina che si pone in stato di quiete; Ei<Eu+Ed ∆Ec=Eu+Ed-Ei
Fasi 1 e 3: transitori o funzionamento in transitorio Fase 2: a regime o funzionamento a regime A noi interessano, quasi sempre, solo le fasi a regime. Regime assoluto o periodico: quando forze, velocità… variano nel tempo ma
assumono gli stessi valori dopo intervalli di tempo costanti (periodo)Ei = energ. o lavoro in ingressoEu = energ. o lavoro utileEd = energ. o lavoro passivoEc = energ. cinetica
DEFINIZIONE DI RENDIMENTO A REGIMEEi o Pi: energia o potenza assorbita in ingressoEu o Pu: energia o potenza utile in uscitaEd o Pd: energia o potenza dissipata (degradata)
in calore a bassa temperatura
Per il primo principio della termodinamica (l’energia non si crea né si distrugge):
Ei = Eu + Ed o Pi = Pu + Pd
Rendimento ηηηη = Eu/Ei = (Ei-Ed)/Ei = 1-(Ed/Ei) o η = 1-(Pd/Pi)1) una macchina che trasmette solo energia meccanica (per esempio: un cambio) ha un rendimento teorico ideale (limite) di 1 (100%): basta annullare (lubrificazione ideale) tutte le resistenze passive (Ed o Pd = 0)
2) una macchina termica (un motore che trasforma energia termica o calore in lavoro meccanico utile) ha un rendimento teorico ideale minore di 1 e al limite pari a quello del ciclo di Carnot associato alle temperature estreme del ciclo:
η= 1-(T2/T1); T2<T1 e η<1 (condizione matematica, ma non fisica, per η=1: T2=0 K e/o T1 = K )∞
RENDIMENTI DI MACCHINE COLLEGATEIN SERIE
IN PARALLELO
η η η = = Eu
Ei
Eu'
Ei' (= Eu)=
Eu'
Ei1 2× ×
Ei = Ei' + Ei''
Eu = Eu' + Eu''
= Eu'
Ei' =
Eu''
Ei''
= Eu
Ei =
Ei' + Ei''
Ei' + Ei''
1 2
1 2
η η
ηη η
;
(Prodotto dei singoli rendimenti)
(Media pesata dei singoli rendimenti, con pesi le singole energie in ingresso)
RENDIMENTI PER UN TRATTORE IN “TRAZIONE”
Rendimento di trasmissioneηtr = (Pm – Wt)/Pm
Rendimento di autodislocamentoηd = (Pm – Wt – Wd)/(Pm – Wt)
Rendimento di slittamentoηs = (Pm – Wt – Wd – Ws)/(Pm – Wt - Wd)
= 1 – s = (n – (n – n0))/ns = (n – n0)/n n = giri ruote motr. a carico
n0 = giri ruote motr. a vuoto
Rendimento globale al gancioηg = Pu / Pm = ηtr ηd ηs = 40 ÷ 70%
CLASSIFICAZIONE DEI TRATTORI
Ruote sterz. anteriori 4 ruote sterzanti Ruote sterz. posteriori
Ruote sterzanti Sterzatura per slittamento(come i cingolati)
Telaio rigido Telaio articolato
Gommato
Con freni e frizioni di sterzo(soluzione classica)
Differenziale controllato A ruotismi epicicloidali
Sterzatura per strisciamento
Cingolato
TRATTORE
Spesso le parole “slittamento” e “strisciamento” sono impiegate nei testi con lo stesso significato(“skid” in inglese)
Ripartizione statica delle masse nei diversi tipi di trattori
RT=ruota tendicingoloRM=ruota motricerac=rulli appoggio cingolo
Forza peso ripartitatra:
CINGOLATO2RM DT 4RM
50% ant.50% post.
TRATTORE: PARTI COSTITUENTI
1. Supporto assale anteriore
2. Motore3. Scatola frizione e
cambio di velocità4. Scatola della
trasmissione finale5. Flangia attacco scatole
riduttori laterali6. Scatola della presa di
potenza7. Sollevatore idraulico1
2 3 4 5
6
7
MOTORI: CLASSIFICAZIONE
*se la “camera” o “spazio” del motore varia di volume durante il ciclo
Alternativi a vapore(locomotiva...)
Alternativi a aria(Stirling)
Volumetrici*
Turbina a vapore
Continui
Esotermici(o a combust. esterna)
A carburatore A iniezione A gas
Accensione comandata
Diesel Semi-Diesel(Testa calda)
Accensione spontanea
Alternativi Rotativi(Wankel)
Volumetrici*
Turbina a gas Reattore
Continui
Endotermici(o a combust. interna)
Termici
SVILUPPO STORICO
Età greco-romana: mulino ad acqua, carrucola, paranco (o taglia), argano, leva, vite di Archimede, pompa a stantuffo, turbina a reaz. di Erone, ruota dentata e ingranaggi.
Età medioevale: mulino ad acqua (perfezionato), motori eolici, albero a gomiti 1629: Turbina ad azione (Branca) 1690: Macchina a vapore di Papin 1712: Macchina a vapore di Newcomen 1782: Macchina a vapore a doppio effetto di Watt (Watt: ruot. epicicloidale e regol. centrif.)
1800: Pila di Volta 1862: Ciclo a 4 tempi di Beau de Rochas 1867: Motore Otto 1883: Turbina a vapore ad azione di De Laval 1884: Turbina a vapore a reazione di Parson 1885: Motore elettrico a c.a. di G. Ferraris 1889: Pneumatico Dunlop 1892: Trattrice Froelich (John Deere) 1893: Ciclo Diesel (motore costruito nel 1897) 1896: Auto Ford 1899: Auto Fiat 1905: Fottinger: amplificatore di coppia (idraulico)
1905-’09: Buchi: turbocompressore 1914-’18: Sovralimentazione meccanica
(aereo con mot. asp. a 5500 m -> Pot. X 0,5)
1919: Prima trattrice Fiat 1923: Fiat: macchina da gran prix a
sovralimentazione meccanica 1928: Cambio sincronizzato (Cadillac) 1938: Trasmissione automatica (giunto
idraulico) (Crysler Fluid Drive) 1948: Convertitore di coppia/Giunto
idraulico (Buick, GM) 1959: Power Shift totale (trasmissione
automatica) (trattrice Ford 681 Select-O-Speed)
Miglioramento continuo dei materiali, combustibili, lubrificanti
CARATTERISTICHE IDEALI DI UN MOTORE PER
AUTOVEICOLI INDUSTRIALI O PER TRAZIONE AGRICOLA
Economiche: Basso costo di produzione, manutenzione, riparazione e di funzionamento
(anche basso costo combustibile) Servizi di assistenza tecnica rapidi ed efficienti
Tecniche: Elevato rendimento (bassi consumi specifici - g/kWh - a tutti i regimi e
carichi) Elevata riserva di coppia (Cmax-CPmax)/CPmax
Elevata potenza per unità di cilindrata (kW/L cil.) Elevata potenza per unità di massa (peso) (kW/t) Minimo ingombro Lunga durata o vita utile (>10.000 h) Affidabilità (pochi “fuori servizio”) e facilità di riparazione Semplicità, facilità e comfort di conduzione (guida) Ridotte emissioni nocive (motore ecologico ?!?)
MOTORE Motore Diesel
a 3 cilindri a valvole in testa
(valvole “laterali”: architettura del motore più vecchia. Attualmente motori con valvole “in testa” comandate da aste e bilancieri)
MOTORE: IL CILINDROLe “canne” o “camicie cilindri” sono sistemate nel “gruppo cilindri” ricavato nel “basamento motore” (in ghisa).
Canne “in umido”: in contatto con l’acqua di raffreddamento.Canne “a secco”: non in contatto con l’acqua di raffreddamento.
“Testa cilindri” o “testata” in ghisa: ospita gli iniettori, le valvole di aspirazione e scarico e i relativi bilancieri. Vi sono collegati i collettori di aspirazione aria e di scarico gas.
Guarnizione di tenuta tra testata e basamento.
Sistemazione della canna con pressa
A: nessuna camicia;B: canna entro il
cilindro;C: la canna è il
cilindro.
MOTORE: IL PISTONE
(NO nei motori Diesel)
Nel “cielo” del pistone è ricavata la “camera di combustione”
MOTORE: ALBERO MOTORE
In acciaiostampato
È sostenuto dai “supporti di banco”. I perni dell’albero motore sono induriti superficialmente e levigati. Ruotano su cuscinetti di strisciamento (“bronzine”) “a guscio sottile” (2 mm) costituiti da un guscio di acciaio ricoperto di una lega antifrizione dello spessore di qualche decimo di mm.
Volano: corona dentata per motore elettrico di avviamento.Ingranaggio per comando: distribuzione, pompa olio,equilibratore a masse controrotanti.Puleggia per: pompa acqua, ventilatore, generatore elettr.
MOTORE: DISTRIBUZIONE E VALVOLEVALVOLE
SEDI DELLE VALVOLE
TESTATA
CINGHIA DI DISTRIBUZIONE
Albero di distribuzione (a “camme”)
Bilancieri
MOTORE: DISTRIBUZIONE E VALVOLE
INIEZIONE DIRETTA1.Meno dispersioni (maggior rendimento)2.Più elevate pressioni di iniezione (150÷250 kgf/cm2 15÷25 MPa)
3.Migliore partenza a freddo4.Più difficoltà di miscelazione aria/gasolio
5.La polverizzazione del getto di gasolio deve essere più spinta (vedi punto 2)
6.φ cilindri opportuno per garantire la polverizzazione (φ> 90 mm)
INIEZIONE INDIRETTA1.Pressioni di iniezione più basse (80÷120 kgf/cm2 8÷12 MPa): la camera aggiuntiva facilita la turbolenza e la miscelazione gasolio/aria
2.Necessità di “candelette” per avviamento a freddo
MOTORE: ALIMENTAZIONE E INIEZIONE
1 kgf/cm2 = 100 kPa
INIETTORE
A: pompa di alimentazione combustib.B: filtro combustibileC: filtro combustibile di cartaD: segnalatore intasamento filtro ariaE: iniettoriF: filtro aria a seccoP: pompa di iniezioneS: serbatoio combusibile
1. Recupero trafilamento
2. Disco di registrazione
3. Molla di pressione
4. Luce di ingresso
5. Filtro a barretta
6. Camera a pressione
7. Corpo iniettore
8. Polverizzatore ad ago e foro/i
MOTORE: RAFFREDDAMENTO Raffreddamento ad aria (ventilatore + alette di
raffreddamento aumento superficie scambio termico). Raffreddamento ad acqua: circuito idraulico, pompa (P),
radiatore (R), vaso di espansione (S), termostato (T), ventilatore (V), liquido non gelivo.
v
MOTORE: LUBRIFICAZIONE
Sezione di filtro olio
Mezzo filtrante
Valvola di by-pass
Uscita olio Ingresso olio
Coppa dell’olioPompa a ingranaggi
FiltroAlbero a camme
Albero motore
BiellaAssi porta-bilancieri
comando valvole
TERMOLOGIA E TERMODINAMICA• TEMPERATURA:
Grandezza scalare intensivaMisura lo stato termico di un corpoUnità di misura di base: K (kelvin) (la frazione 1 / 273,16 della temperatura termodinamica del “punto triplo” dell’acqua -Conf. Gen. Pesi e Misure 1967-).Punto triplo preferito rispetto al (vecchio) punto di fusione, perché più riproducibile.Temperatura centigrada: TC = TK - 273,16Il grado centigrado può essere definito come la centesima parte tra il punto di fusione del ghiaccio a pressione atmosferica e la temperatura di ebollizione dell’acqua alla stessa pressione.Punto triplo: TK = 273,16 K TC = 0,01°CPunto di fusione (1 bar): TK = 273,15 K TC = 0,00 °C
• CALORE: una forma di ENERGIA (Energia Termica)Grandezza scalareUnità di misura di base: J (joule)Vecchia unità di misura: kcal (1 kcal = quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C - da 14,5 a 15,5 - 1 kg di acqua) 1 kcal = 4.186,8 J = 4,2 kJ (spesso Jt -t = termici-, così kWht -termici- e kWe -elettrici-)
• CAPACITA’ TERMICA DI UN CORPO o CALORE SCAMBIATO:Q = Cs x m x (T2 - T1) (m = massa del corpo in kg)T2 <=> T1 (Cs = capacità termica massica in J/kgxK)Per l’acqua Cs = 4,2 kJ/kgxK (0 - 100 °C); acciaio Cs = 0,50 kJ/kgxK; legno Cs 2,4-2,7 kJ/kgxK; aria (20 °C, 1 bar) Cs = 1,01 kJ/kgxK
• TRASMISSIONE DEL CALOREQ = U x S x (T2 - T1) (t = tempo in secondi)
(U = coeff. di trasmissione termica termica di un corpo con superficie di scambio S)
U = f (λ/l, hc, hr)λ = conduttività termica di un corpo con spessore (lunghezza) l (W/mxK) hc = coeff. di scambio convettivo (W/m2xK) (convezione naturale o forzata)hr = coeff. (linearizzato) di scambio radiativo (W/m2xK)
(W/m2xK )acqua 0,63acciaio (+Ni) 29 - 105legno 0,10 - 0,27aria (0 - 100 °C) 0,0235 - 0,0306
Per un motore a combustione interna circa 1/3 del calore generato dal combustibile è trasformato in lavoro utile, circa 1/3 è perso con i gas di scarico e un altro 1/3 deve essere smaltito dal sistema di raffreddamento (per ogni kW di potenza meccanica deve essere smaltito 1 kWt)
TERMODINAMICA• 1°PRINCIPIO: L’energia (interna) non si crea ne si distrugge, può solo essere
convertita da una forma in un’altra.
Q = ∆U + L (U = energia interna -variabile di stato-)
Se si riscalda un sistema termodinamico parte del calore serve per aumentare l’energia interna del corpo (∆U), cioè per aumentare la sua temperatura, parte per compiere un lavoro.
∆∆∆∆U = Q - L Q positivo se assorbito dal sistemaL positivo se fatto verso l’esterno
L = p x ∆V = (F/S) x S x ∆l
L’energia può essere definita come la capacità di un sistema di scambiare lavoroo calore.
TERMODINAMICA• 2°PRINCIPIO: L’energia meccanica può essere trasformata totalmente in calore, il
calore non può essere trasformato totalmente in energia meccanica.
Ciclo di Carnot e macchina ideale
T = temperatura assoluta
Massimo rendimento per un motore termico con temperatura di combustionedi 2.200 °C e T2 = 15 °C (t. ambiente):
T2<T1
η reale per motori diesel: 30 - 40 %
η = L
Q =
Q Q
Q =
T - T
T = 1-
T
T1
1 2
1
1 2
1
2
1
−
ηmax = 1-15 + 273
2200 + 273 = 1- 0,12 = 0,88 88%→
COMBUSTIBILI• Come fonti energetiche si hanno a disposizione essenzialmente dei
COMBUSTIBILI: penalizzati nella conversione in Energia Meccanica (lavoro utile)• POTERE CALORIFICO DI UN COMBUSTIBILE:
Potere calorifico inferiore (Pci): nella tecnica è quello più usato; calore svolto in un processo di combustione completa a pressione costante (atmosferica) dall’unità di massa di combustibile quando i fumi (gas) di combustione sono raffreddati fino a 100 °C (H2O formato come fase vapore):CH4 + 2O2 CO2 + 2(H2O)v Pci metano: 48 MJ/kg (8.250 kcal/m3 ; ρ=0,717 kg/m3)
p=100 kPa T=100°CPci petrolio greggio: 10.000 kcal/kg = 42 MJ/kg; Pci benzina: 10.500 kcal/kg = 44 MJ/kg; Pci gasolio: 10.200 kcal/kg = 43 MJ/kgPotere calorifico superiore (Pcs): quando i gas di combustione sono raffreddati con fase H2O come liquido:CH4 + 2O2 CO2 + 2(H2O)l Pcs metano: 55 MJ/kg (9.370 kcal/m3)
p=100 kPa Tr=100°C o (più diffusa) 15°C (temp. di riferimento secondo norma)Pcs=Pci + mH2O x Ql + mg x csg(100-Tr) + mH2O x csH2O l (100-Tr)
cal.latente cal.sens. (trascur.) cal. sensibile
Ql: calore latente di evaporazione dell’acqua a 100 kPa = 539 kcal/kg = 2,26 MJ/kgcsg: calore specifico dei fumi di combustione (1,01 kJ/kgxK) pari a quello dell’aria in prima approx.
COMBUSTIBILI Distillazione frazionata del greggio:
30°C - 200°C: benzine; 180°C - 360°C: gasolio
paraffine (o normal-paraffine): catena lineare (CnH2n+2)
isoparaffine: catena lineare ramificata (CnH2n+2)
IDROCARBURI olefine: catena lineare con doppio legame fra C (CnH2n)nafteni: catena chiusa (CnH2n)aromatici: anelli a 6 atomi di C con tre doppi legami (CnH2n-6)
N.O. (numero di ottano): misura il potere antidetonante (maggiore per aromatici)benzine con Pb NO > 97; benzine senza Pb NO > 95
N.C. (numero di cetano): misura l’accendibilità (maggiore per paraffine)diesel NC > 48 (empiricamente: NO = 120 - 2NC)
Punto di scorrimento: misura la capacità di scorrere a bassa temperatura (maggiore per aromatici) (P.d.S. = P.d. solidific. + 3°C)
Indice di viscosità: misura la variazione della viscosità con la temperatura (maggiore per paraffine)
MOTORE: GRANDEZZE CARATTERISTICHE
PMS = Punto Morto Superiore PMI = Punto Morto Inferiore C = Corsa (distanza tra PMS e PMI =
= 2 x raggio manovella)
D = Alesaggio (diametro interno cilindro)
V2 = Camera di compressione V1/V2 = Rapporto di compressione V1 – V2 = Cilindrata unitaria
(volume spazzato nella corsa dellostantuffo)
MOTORE: CICLO DI FUNZIONAMENTO A 4 TEMPI
1 2
34
1. Aspirazione
2. Compressione/Inie-zione
3. Combustione/Es-pansione (fase attiva)
4. ScaricoN.B.: nel motore Diesel la combustione avviene spontaneamente per surriscaldamento della miscela aria-gaso-lio compressa nella camera di combustione (PV=nRT); nel motore a benzina l’accensione avviene con l’ausilio di una scintilla provocata dalla candela.
MOTORE: CICLO DI FUNZIONAMENTO A 4 TEMPI
1 2
34
Motosega
Motore a 2 tempi:1 camera di combustione2 pistone3 condotto di scarico4 condotto di aspirazione5 carter6 albero a gomiti7 canale di alimentazione8 candela
Aspirazione - compressione
accensione - combustione
espansione
Scarico - completamento
aspirazione
MOTORE: CICLO OTTO E CICLO DIESEL
Otto Dieselηε=1-(1/rck-1) ηε=1-(1/rc
k-1)[(τk-1)/(k(τ-1))]
τ = V3/V2 = T3/T2 (rapporto di combustione a pressione costante)k = Cp/Cv ≈ 1,4 (aria)Lteor = lavoro teorico; Lind = lavoro indicato; Leff = lavoro effettivo (perdite per attrito del pistone nel motore)
ηe = Lteor/Q = rendim. termodinamico ideale; ηi = Lind/Lteor = rendimento indicato; ηm = Leff/Lind = rendim. meccanico (organico)
rc=6÷10 rc=14÷22ηε=Lteor/Q (rendimento termodina-mico ideale)
rc=V1/V2(rapporto di compres-sione)
Lteor>Lind>Leff
ητοτ= Leff/Q = ηe ηi ηm = 1/(cs Pci)
Grazie a maggiori rapporti di compressione il ciclo Diesel consente rendimenti termodinamici ideali maggiori rispetto al ciclo Otto. Il ciclo Sabathè è quello adottato dai motori “Diesel veloci” (quelli che oggi sono impropriamente chiamati “motori Diesel”).
MOTORE: CICLO OTTO E CICLO DIESEL
rc
TURBOCOMPRESSORETurbina messa in movimento ad altissima
velocità (superiore a 100.000 giri/min) dai gas di scarico del motore
+Compressore centrifugo.
Turbina: fornisce l’energia necessaria al funzionamento.
Compressore: spinge l’aria prelevata dall’esterno verso i cilindri.
• Alberino di collegamento tra turbina e compressore: lavora in bagno d’olio, senza elementi meccanici volventi (non sopporterebbero tali regimi di rotazione senza surriscaldamenti).
• A pari potenza, un motore turbo pesa dal 20 al 30% in meno di uno normale.
• Il turbocompressore è particolarmente indicato per i diesel: scaricano molto gas anche ai carichi parziali; non devono abbassare il rapporto di compressione (non soffrono di detonazione); hanno i gas di scarico piuttosto freddi (300÷500°C contro 500÷1000°C dei benzina).
TURBOCOMPRESSORE
TURBOCOMPRESSORE
a: Chiocciola compressore, b: Supporto, c: Corpo centrale, d: Protezione termica, e: Chioccola turbina, f: Turbina, g: Uscita gas scarico, h: Wastegate, i: Ingresso gas scarico, j: Scarico olio, k: Sede boccola, l: Sede boccola, m: Guida in grafite, n: Compressore, o: Attuatore wastegate, p: Ingresso aria, q: Tubo attuatore, r: Diffusore, s: Chiocciola compressore, t: Ingresso olio, u: Uscita compressore.
MOTORE: CURVE CARATTERISTICHE A: Curva di coppia (curva
rilevata al banco prova con freno dinamometrico)
B: Curva di potenza (curva derivata: P = Mω = M(2πn/60) )
C: Curva del consumo specifico (curva rilevata)
“Mappa dei consumi” o
“Piano quotato dei
consumi”: curve di
isoconsumo specifico
% del regime di potenza massima
% della coppia di potenza m
assima
della potenza max
kW
g/kWh
(ω)
f
rpm = round per minute (giri al minuto)
(M)
(P)
(cs)
MOTORE: CURVE CARATTERISTICHE
(Cmax)
MOTORE: RISERVA DI COPPIA e STANDARD DI PROVA
Standard di prova: SAE (Society of Automotive Engineers)DIN (Deutsche Industrie Normen)
Parte stabile della curva della coppia(quella con ramo decrescente con ω)
Curva della potenza(Pmax)
(CPmax)
(NPmax)(NCmax)
Riserva di coppia == (Cmax – CPmax) / CPmax
(≈ 20%)
Indice di elasticità ==(Cmax/CPmax)x(NPmax/NCmax )
(≈ 1,5)
FendtSerie Favorit (CV)
SAE 141 164 186 209
DIN 125 145 165 185
CV SAE/ CV DIN
1,13 1,13 1,13 1,13
MOTORE: FORMULE RELATIVE ALLA POTENZA
P = M·ω = M·(2πn/60)
L = pe·VP = L·(n/(60·c)) = pe·V·(n/(60·c))
L = ηt·QP = ηt·Q·(n/(60·c))
M = coppia erogata (Nm)ω = velocità angolare (rad/s)n = n.giri albero motore (giri/min)
L = lavoro efficace (J)P = potenza efficace (W)V = cilindrata (m3)pe = pressione media efficace (Pa)c = costante (2 nei motori 4 tempi -> una fase utile ogni 2 giri albero motore; 1 nei motori 2 tempi)
ηt = rendimento totale = ηe ηi ηmQ = quantità di calore impiegata in un ciclo (massa di combustibile bruciata per il suo potere calorifico in J)
Da si può esplicitare Q in funzione della cilindrata. Si ottiene:
P = ηt ηv s V Pci’ (n/(60 c))ηv = rendimento volumetrico ( meff/mteor = (ρeff V)/(ρteor/V) ) (ρ = massa volumica funzione di p e T)s = rapporto di sovralimentazione in massa ( mteor/m0 = (ρteor V)/(ρ0 V) )Pci’ = tonalità termica della miscela (J/m3) (= ρ0 Pci) (Pci = potere calorifico della miscela (J/kg))meff = massa effettiva di miscela che riempie i cilindri; mteor = massa teorica di miscela che dovrebbe riempire i cilindri alle condizioni di mandata e aspirazione; m0 = massa “normale” di miscela a condizioni “normali” (15°C e 100 kPa) (che dovrebbe riempire i cilindri)