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2 ISBN RCS Libri S.p.A. Milano Ristampe: Stampa: L.E.G.O. S.p.A., Vicenza Copertina Progetto grafico Redazione Impaginazione Foto di copertina Studio Mizar, Bergamo CD & V, Firenze MiMa Studio Editoriale Datacomp Valselice, Imola Shutterstock I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche ad uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Corso di Porta Romana 108, Milano, La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L Editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RCS Libri S.p.A. Divisione Education Via Rizzoli, n Milano fax L Editore è presente su Internet all indirizzo: Indicazioni e aggiornamenti relativi al presente volume saranno disponibili sul sito. L Editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel volume. L Editore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta in merito da parte dell Editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico. Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici. I contenuti del tuo libro non si trovano solo sulla carta. Adesso puoi trovare esercizi, espansioni e molto altro sul web, all indirizzo Tali strumenti ti consentiranno di integrare lo studio sul testo cartaceo con la possibilità di ripassare, prepararti alle verifiche orali e scritte, approfondire quanto affrontato in classe, ecc. Su ogni pagina del sito troverai un campo in cui digitare il codice che hai trovato nel volume, così avrai accesso diretto ai materiali digitali ad esso relativi. Potrai scaricare e salvare i materiali sul tuo computer in modo che tu possa poi ritrovarli facilmente in qualsiasi momento.

3 Presentazione Il corso di Meccanica, macchine ed energia è stato pensato per i nuovi Istituti Tecnici Tecnologici (indirizzo Meccanica, meccatronica ed energia). L opera, concepita in tre volumi, tocca tutti gli argomenti previsti dalle nuove indicazioni ministeriali. Vengono affrontati tutti gli argomenti essenziali della meccanica applicata e delle macchine a fluido, anche se, dato l esiguo numero di ore di lezione previste, sarà compito del Docente fare le scelte operative e inserire gli opportuni approfondimenti proposti. L elemento di forza del corso è rappresentato dagli esempi e dagli esercizi svolti collocati alla fine dei singoli paragrafi, uno strumento estremamente utile per comprendere meglio gli argomenti teorici affrontati. Alla fine di ogni unità, inoltre, un ricco apparato esercitativo (esercizi svolti, proposti e un questionario) supporta ulteriormente lo studio e la valutazione delle conoscenze acquisite. All inizio del primo volume vengo proposti materiali che riprendono le nozioni di base di trigonometria, strumento indispensabile per trattare gli argomenti che seguono, quelli canonici della statica, della cinematica, della dinamica e delle resistenze passive. Prima di introdurre lo studio delle macchine, invece, si è inserita un ampia analisi delle problematiche, sempre attuali, legate alla produzione e all uso dell energia. Segue poi la trattazione dell idraulica, propedeutica per lo studio delle macchine idrauliche. Nel secondo volume vengono sviluppate le conoscenze relative alla resistenza dei materiali e il dimensionamento di semplici organi meccanici. Segue la parte della trasmissione del moto con ruote di frizione, dentate e con cinghie. Per le macchine, dopo aver trattato la termologia e la termodinamica, si sono sviluppati i concetti riguardanti il funzionamento delle macchine pneumofore. Nel terzo volume viene sviluppata la parte riguardante la trasmissione del moto con il sistema biella-manovella e lo studio degli organi regolatori del moto; successivamente vengono analizzati alcuni organi meccanici di collegamento. Come conclusione sono stati trattati i motori a combustione interna e le turbine a vapore e a gas. Alla fine di ogni volume è stata inserita un appendice di approfondimento dedicata agli argomenti trattati in ciascun tomo. L opera, infine, è accompagnata da una sezione digitale in continuo aggiornamento, pubblicata su in cui vengono proposti materiali di approfondimento, grafici e tabelle tecniche, rassegne fotografiche, brevi filmati e test di autoverifica. Gli Autori Presentazione III

4 Guida alla lettura In queste pagine trovi indicazioni utili per organizzare lo studio al meglio, attraverso gli strumenti che il corso di Meccanica, macchine ed energia ti mette a disposizione: l il tuo libro di testo cartaceo; l le espansioni che puoi consultare o scaricare collegandoti all indirizzo Il libro cartaceo è suddiviso in due parti articolate in moduli e unità: l la prima parte è dedicata alla meccanica applicata: vengono affrontati gli argomenti relativi alla statica, alla cinematica e alla dinamica; l la seconda è dedicata alla meccanica applicata alle macchine: vengono sviluppate le conoscenze relative all energetica, all idraulica, alle macchine operatrici e motrici idrauliche. Il volume si chiude con un appendice dedicata agli impianti di produzione di energia elettrica. Fig Motore ad accensione comandata a 4 tempi (Punto Fiat). Fig Ciclo teorico di un motore ad accensione comandata a 4 tempi. Le valvole sono aperte da un bilanciere mosso dallo stelo il quale a sua volta è azionato dall albero a camme. La candela serve ad accendere la miscela di aria e benzina che è stata compressa nella camera di combustione dal pistone. Il ciclo teorico di funzionamento di un motore a carburazione a 4 tempi è rappresentato in figura 13.4; in esso si riportano in ordinate le pressioni assolute in bar e in ascisse i volumi V in m 3 occupati dal fluido nel cilindro. Nel diagramma di figura 13.4, V 2 rappresenta il volume della camera di combustione, V 1 è il volume totale del cilindro, V 1 2 V 2 5 V è la cilindrata del cilindro. Nella fase di aspirazione 0-1 il pistone si sposta (fig. 13.5) dal punto morto superiore al punto morto inferiore creando all interno del cilindro una depressione che consente l entrata Un ricco e puntuale apporto grafico agevola la coprensione dei concetti teorici più ostici della materia. Poiché si vuole ottenere la stessa tensione s in tutte le sezioni, si eguagliano le due espressioni precedenti e si ottiene: da cui si ricava: 6 F # L b # h F # x y # h 2 L b 5 x y Assegnando le dimensioni in base a questa proporzione, si ottiene la tensione s costante. Per ridurre l ingombro della larghezza b della molla a lamina triangolare si costruiscono molle a balestra, ottenute sovrapponendo diverse lamine dello stesso spessore h della lamina triangolare, ma di larghezza ridotta b9 (fig. 8.7). Fig Cilindro, pistone, valvole, biella. 209 <UP[n 4V[VYPHJVTI\Z[PVULPU[LYUH Fig. 8.6 Lamina a sezione variabile. Fig. 8.7 Molla a balestra. ESERCIZIO 1 Dimensionare una molla a lamina di sezione rettangolare in acciaio C60 che ha rigidità K 5 6 N/mm, lunghezza L mm, in grado di accumulare un lavoro di deformazione di W 5 80 Nmm. Soluzione Le parti teoriche sono sempre associate a numerosissimi esercizi svolti, punto di forza dell opera, che consentono di acquisire i concetti esposti. Dalla formula della rigidità si ha K 5 F f e, con i dati della traccia, 6 5 F f Dall espressione del lavoro di deformazione si ha W 5 f # F 2. ovvero F 5 6 f. sostituendo nell espressione precedente si ottiene W 5 f # F f 2 ; passando ai valori numerici: f 2 80 da cui si ottiene, scartando il valore negativo, f ,16 mm. Å 3 Sostituendo il valore ricavato nell espressione della freccia: f 5 2 s # am L2 si ricava l altezza della sezione della lamina: 3 E # h h 5 2 s # am L2 3 E # 5 f valore approssimato a 3 mm. 2 # 238 # # # 5 2,15 mm 5,16 Avendo assunto per l acciaio C 60 un carico unitario di rottura di 1250 N/mm 2 e ipotizzando un carico dinamico pulsante, si ha un carico unitario dinamico di 238 N/mm 2. La larghezza b della lamina si ricava dall espressione del lavoro: da cui: valore portato a 16 mm. b 5 18 E # W h # L # s 2 am W 5 b # h # L # sam 2 18 E 5 18 # # 80 3 # 120 # ,5 mm <UP[n 4VSSL 113 IV Guida alla lettura

5 1.3.2 L iniezione elettronica APPROFONDIMENTO di biella Velocità del piede funzione del può essere scritta in mento del piede di biella L espressione dello sposta tempo essendo: q 5v? t L iniezione elettronica in un motore a scopp io a 4 tempi costituisce ma di controllo, gestit un complesso sisteo da una centrale elettr onica e basato sul rileva dezze (fig ): mento di 6 gran1. posizione acceleratore ; 2. volume d aria entran te; 3. quantità di ossige no nello scarico; 4. temperatura dell a ria entrante; 5. temperatura del motor 6. velocità di rotazione e; dell albero sen v t 2 cos v t) sc 5 r( m "m erazione di deridi biella si effettua un op tà istantanea del piede Per ottenere la veloci, ottenendo: tempo al to rispet vazione dello spostamento 2 sen v t # cos v t b vc 5 v r asen v t 1 2"m2 2 sen2 v t 2 trascurabile rispetto considerando sen vt e t è stata effettuata vt? cos vt 5 sen 2 v Ricordando che 2 sen a della velocità, in cui l espressione approssimat a m2, si può scrivere : q 5 t v zione la sostitu sen 2q b vc 5 v r asen q 1 2 m per cui: ondenza dei punti velocità è nulla in corrisp e q ; quindi la Si ha vp 5 0 per q 5 0 biella vc in funvelocità del piede di morti. to un diagramma della onenti vr sen q esenta comp rappr due è le 1.8 In figura evidenziate manovella q, in cui sono zione dell angolo di scomposta la velocità. essere può quali e vr sen 2q/2m nelle il moto armonico Confronto con eo alternato. di biella è un moto rettilin si avvicinano tanto ico, il moto del piede e Come il moto armon piede di biella e del piston à e accelerazione del m 5 l/r, ovvero quanto Le espressioni di velocit grande è il parametro più o, si quant ico armon sen2 q/2m e cos2 q/m più a quelle del moto trascurabili i termini infatti o erand Consid più lunga è la biella. ico: tipiche del moto armon ottengono le espressioni 2 ac 5 v r cos q vc 5 vr sen q corsa, nullo al centro della è rettilineo con 2valore il diagramma ac 2 sc In queste condizioni 1 v2r e 2 v r. estremità sono pari a alle valori due i e mentr vale vmax 5 vr. à cade a metà corsa e velocit della o Il massim APPROFONDIMENTO Fig Schema di principio del motore a iniezione elettronica. Le grandezze vengono rilevate mediante oppor tuni trasduttori, con period i segnali relativi vengo no convertiti in codici icità di 1 ms; binari e le parole binari vengo acquisite da una e che ne risultano scheda a logica progr ammata, gestita da un (ECU, Electronic Contr microcontrollore ol Unit). L obiettivo del contro llo è adeguare il nume ro dei giri del motore per mezzo dell acceler al comando fornito atore, tenendo conto di due esigenze fonda mentali: a. un corretto rappo rto di miscelazione aria-c arburante, regolato per minimo inquinamen ottenere: to dovuto ai gas di scarico massimo rendimento ; del motore con riduzi one dei consumi; b. un controllo ottim ale dell istante di accen sione della miscela, al massima potenza dal fine di ottenere la motore. A tale scopo, l ECU dispon e di una memoria nella parole binarie) i valori quale sono tabulati (sotto ottimali di afflusso del forma di carburante e della fase funzione dell insieme dei dati rilevati dai trasdu di accensione, in ttori. della velocità Fig. 1.8 Andamento di manovella. in funzione dell angolo (9;, 4,**(50*( (7730*(;( (33, ]LSSH <UP[n )PLSSH THUV 4(**/05, Nel testo vengono proposte schede di approfondimento, corredate da schemi e diagrammi, dedicate ad argomenti specifici. Sostitu Alla fine di ogni unità vengono raccolte le principali formule e un glossario in lingua inglese utile per la consultazione di materiali tecnici specifici del settore. endo ne ll espres sione (3.1) della variazio ne di en ergia si L5 1# # in cui ottiene J è il m : 2 J ( v22 2 v 2 ) gomiti omento 1 5 J # molle di tipi vari i e re d # v2 d te onosce inerzia C e sta di bi disitorsion di in flessione ese el di di la molle m le. ca re as sa di tu Conosce d inerzia ale con Jm il m elicoid molla tt una o om sionare (3.3) il di mas ento d sistem Saper dimen sa del a rota volano inerzia di m nte vo assa de si ha: lano, al gli orga Osserv bero a ando ch ni rota nti e co può co e J5J nsiderar il momento n Jv il m m1 J omento e: d inerzia v di mas sa del Per calco volano lare il è il 90 massa m om % en m di quel J<J tro della della corona to d inerzia lo tota v le, si di de ipotesi, corona stessa l volano, ip massa del vo Rassegne fotografiche ot il mom lano si ento d e che sia po izzando che tiene qu Tipi di molle sta a di es inerzia stanza sa sia tutta co indi conto di mas solo de r rispe sa del ncentra In ques Grafici e tabelle tto vo lla ta la ta al no vale nel l asse di relazio i per la costruzione di molle il 10% : ne sono Materiali utilizzat rotazio baricenjv 5 m 2. ne. In state tra r tali Dalla re scurate lazione le mas (3.3) L se degl 5J #d # 2 i organi v, ne rotant l rispetto i, che in cidono dell ip e sosti otesi J per tuendo < Jv si : e dei carigeneralità L ottiene J 5 l azion v sotto e : # v2 si deformano elasticament d che nici mecca i Le molle sono organ Poiché che senza he L v elastic chi applicati. rilevanti deformazioni 5 v? acciaio molto in r, si ottie grado di sopportare d # v 2 5 m # r2 ne: Esse devono essere in motivo sono realizzate la resistenza; per questo ne sia compromessa to nelle molle sotto m L Ricoazzina ati è immag resistente. 5 applic i o carich rd ai quand o andodalla L dovut ente che ilmolla d # v2 5 è possi Il lavoro di deformazione restituito totalm le ga e. bisua d # v 2 # 2 [kg] inizial ziale elastica e viene le ric forma r avare la me tra la velo Il ista forma di energia poten risulla la molla riacqu ta cità v e deforma; in tal modo sa an quadra to dimostra masurti il nu cessa l azione che la chare to. per attenu e la m eche se è noto mero n dei (3.4) anche obili, Da as giri al m autom il lla sa delle num del vola (3.4) si nelle sospensioni deduce no è fu ero dei giri. inuto è: v 5 il diag Le molle si utilizzano ra ch nzione n # 2p # r relazio mma del mom e è possibile della su vibrazioni. 60, ne, è ne calcola a velocit ento, si 8.1): gi (fig. ce re in ri à perif ssa e del caricoric n o di Le molle si suddividono fissare ; ava il valo la massa del erica al velol azionrio sotto La veono re del il volano à, che si inflett locità fa cit la lamine di varie forme a, v) e il raggio valore della qu all altrso elalibere molle di flessione: velocit voro eccedent ando, cono remitàvo rg de ni in gh inun à perif scendo barre incastrate a un est e L; pe di pe ere forza ce lla traietto col insor molle di torsione: er per struitigereisa in accia r v # 40 m/s, ntrifuga sulla ria del baricen ica (in termin r utilizzare la una forza, si deformano di e l azion sotto che, io. ma se la velo corona del vo tro della coro i di numero di cità pe elica che si comprimomento torcente; di spire a riferica lano per cui na del volano Ca formate da una serie è supera molle elicoidali:. più usate. lcolo di m da i 40 m/s bene costruire di una forza, sono le l coeffic In fase mono sotto l azione i volani di prog ie nt vanno e statistic di flutt et a, il lavo tazione, il ua zi on Il calco coeffic ew lo pren ro massimo iente di di flu de avvio fluttua po zi dai segu ttuazione tenza che do one consen P enti da re te vrà esse gime di 5 v? Mme [k ti: re asso di valutare, d W rotazio rbito da su ne med ]; l volano base Dalla (3 io n [g..2) si ot iri/min ] o velo tiene: cità an golare Ricava v [rad/s]. ndo M L 5 2p med dai?w?m dati in iziali e med sostitu endo si ha: M P med 5 v, pertanto: # 2p f #P L5 34 v unità 8. Molle Obiettivi 8.1 Fig. 8.1 Principali forme delle molle. 7(9;, 4,* *( Guida alla lettura 1# J # (v 22 2 v 12 ) 2 f5 L L 5 Lmed 2p # Mmed v2 2 v1 v L5 v r # p # b # d2 8 5 Jv # 4 d2 r # p # b # d4 Jv 5 32 m5 m 5 r # V 5 r # 2p # d # # h b Jv 5 Jv 5 m # d2 4 2p # f # P d # v3 Fc 5 r # A # v2 s5 v# Variazione di energia Coefficiente di fluttu cinetica (lavoro eccede nte) azione Grado d irregolarità L L 5 d # v2 d # v2 # r 2 2p # f # P m5 F 5 r # v2 A sam Å r Massa in funzione del momento motore Lavoro eccedente in funzione del coefficiente di fluttuazione Massa del volano a disco Momento d inerzia del pieno volano a disco pieno Massa del volano a razze Momento d inerzia del volano a razze Momento d inerzia del volano in funzione del coefficiente di fluttu azione Forza centrifuga in un Tensione di trazione volano a razze causata dalla forza centri Condizione limite della fuga velocità periferica Glossary Flywheel Degree of irregularity Operating surplus Flywheel races 50*( (7 73 0*(;( Le definizioni principali e le formule di riferimento di ciascun argomento sono evidenziate graficamente in modo da individuare agevolmente i passaggi principali della spiegazione. L5 d5 (3.5) (7730*(;( 7(9;, 4,**(50*( 110 Formulario Volano Grado di irregolarità Lavoro eccedente Volano a razze 38 7(9;, 4,**(50*( (7730*(;( V

6 lti Esercizi svo 1 Proporzionare vare un caric plice per solle un gancio sem o massimo di 2 Verificare la stab ilità della gru co da sollevare in figura se il cari- Con i dati vale Q C N, della traccia si N, il contrapp il peso del brac ricava: eso cio P N, il momento ribal il peso della zavo e controbraccio è tante: La lunghezza rra è Z del braccio della 000 N. Mr 5 Q (b gru vale b la lunghezza max 2 d) 1 P (b il mom del controbracci 0 2 d) max = 30 m, ento stab dimensione della o è b ilizzante: m e la zavorra è 2d Ms 5 C9 (b9 1 della torre pesa 5 7 m. La strut d) 1 Z d 1 T T N. tura ossi?d a: 2 tonnellate. Mr (30 Essendo: 590, per il designato Fe aio non legato Soluzione 620 N. il gancio un acci N/mm2. valgono a 19 per costruire e strappi si 2 tonnellate equi o tra 590 e 910 come materiale posto ad urti pres tare sotto com è adot ra io di Si decide carico di rottu ndo che il ganc sui manuali un m2 e considera quale si trova io: sr N/m valore intermed 2 Si sceglie un pari a 6, per cui: o di sicurezza s 5 67 N/mm sceglie un grad sollecitate N/mm2 e ta 5 0,57 a 5 maggiormente 5 sa che vengono 6 ni del gancio tenza delle sezio verifiche di resis le poi,, Si eseguono portata di mento. una iona di a funz il tato spondenz durante del gambo filet ndo che, in corri tenza a trazione calcola considera Verifica di resis del gambo del gancio si 1). ma a lato di fig lla La sezione mini tabe ( d 5 36 mm 2 tonnellate, 2 2 3,5) (9,5 2 3,5) Nm b0 5 L 1 br 2 br ,5 m 2 Ms ( Nm 3,5) ? 3, ? 3,5 Per tenere la gru in condizion i di stabilità deve M essere s. 1,5. Mr Nel nostro caso ,578, per cui la gru in condizioni è di stabilità. Esercizi pro posti Soluzione Sulla gru si ha un momento ribal ze Q e P per le rispettive dista tante dato dalle fornze rispetto al 2. Invece le forze C9, Z e punto T per i rispe creano un mom ttivi bracci ento stabilizza nte. 1 Calcolare la forza da applicare alla un verricello manovella di differenziale per sollevare un 1100 N sape carico ndo che le pule gge hanno diam di D mm e d etro manovella è mm. La lunghezz a della mm e il rendimen to vale 0,88. R. F Calcolare il caric o che può solle lo differenziale vare un verricelcon diametro dei tamburi D mm e d = 280 = 360 mm, applican manovella di do una forza 100 N e ipoti sulla zzando un rend 0,86. La man imento di ovella è lunga 350 mm. R. Q 5 5 Questionario Indica se le segu enti afferma zioni sono vere o false. Gli apparecchi di movimentazio lungo traiettorie ne discontinua, prefissate. in genere, muo vono le masse I paranchi veng ono utilizzati per spostare verticalmente Nelle taglie veng i carichi. ono impiegat e puleggie fisse e mobili. Nelle gru a cava lletto il carrello portaparanco scorre su una I carrelli semoven monorotaia a ti vengono impi sbalzo. egati nella mov imentazione disc ontinua. V F V F V F V F V F <UP[n :VS SL]HTLU[V L [YHZ WVY[V UNI Ganci semplici Fig [YHZWVY[V SL]HTLU[V L <UP[n :VS Alla fine di ogni unità vengono proposti numerosi esercizi svolti, esercizi proposti e un questionario di verifica. Nella parte conclusiva del volume viene proposta un appendice di approfondimento dedicata alle tecniche di progettazione e prototipizzazione. Il volume si chiude con un ampia sezione dedicata agli esami di stato In figura 1.5 è riportato un esempio di mod software Creo PTC. ello tridimen sionale realizza to mediante il naria 2009 Sessione ordi a a scritt Seconda prov Fig. 1.5 Mod ello tridimen sionale realizzat o mediante il softw are Creo PTC. Andamenti temporali Se nel dispositi vo namenti di tipo in fase di progettazione sono presenti mec cani co, mov pne lisi del processo umatico o elet imenti che rich tromeccanico iedono aziosi ricorda che operativo del dispositivo, occorre effe stesso. nella maggior ttuare un anapart a controlli di processo in cate e dei sistemi in cui è pres ente un auto mezzi, avente na chiusa: essi matismo, si rico lo scopo di far costituiscono rre ottenere. evolvere il proc l interazione di un insieme esso in base Lo schema a alle specifich di e del prodotto blocchi di un comando in schema si indi da catena chiusa viduano: è ripo rtat o in figura 1.6; a) blocco di comando (o in tale elaborazione mento delle ): è l un operazioni rela b) interfacce: tive al comand ità di governo che effettua costituiscono o pneumatico il coordinagli elementi ; parti costitue per lo nti l interfaccia il comando. In particolare: scambio delle informazion i tra le altre elaborazione /attuazione dall unità d el (E/A) gestisce abo razi one l interfaccia agli attuator il flusso di i; informazion attuazione/e i laborazione senta la retr (A/E) gestisce c) blocco di pote oazione (feedback); il flusso cont rario, che rapp rerealizza l operaz nza: detto anche di lavo ro o ione da auto matizzare per d attuazione, è la parte del mezzo di opp ortuni attuator comando che i. Fig. 1.6 Sche ma generale di un azioname nto in catena chiusa. 306 Appendice Tecniche di prog LE O INDUSTRIA ITUTO TECNIC DI STATO DI IST M296 ESAME AMENTO DIN OR DI CORSO CCANICA Indirizzo: ME ZIONE NO, PROGETTARIALE Tema di: DISEG INDUST NE ZIO E ORGANIZZA nza di 100 kw mette una pote albero che tras resentato un drici a profili cilin allegato è rapp giri/min. ilo scanalato Nel disegno 1450 prof di del e e: zo olar rich mez ang met per alla velocità a su di esso, tteristiche geo tata calettat le seguenti cara La ruota den T), presenta (UNI ; dei denti z 5 numero m 5 5 mm; modulo 20 ; pressione u 5 50 mm. angolo di dentata b T) a della fascia (UNI larghezz profilo scanalato to di un ulteriore ndo estremità è dota to. formativo, tene orso perc L albero alla sua gliere la flangia di un giun il isite durante destinato ad accobase alle conoscenze acqu opportune in dalle sue ati Il candidato, plet com indicati e conto dei dati ua: assunzioni, eseg a ruota denta albero e dell di stabilità dell ente i materiali; la verifica di duraopportunam ta, scegliendo inetti fissando un obiettivo cusc dei la scelta quote, completo di ta di 8000 ore; ivo dell albero, onali) e gradi di rutt cost gno ensi il dise metriche e dim tolleranze (geo sità. rugo ato numero un determin riferimento a lavorazione Inoltre, facendo urre, definisca il ciclo di enze delle prod sequ dei pezzi da evidenza le parmettendo in, il grezzo di udo colla dell albero, di e taglio e i produzione parametri di i operazioni di sili, uten chine, gli tenza, le mac ici. disegno a fian trattamenti term indicate si ricavano dal è ione 1:2. non di rappresentaz Le dimensioni o che la scala co, considerand Traccia ettazione e prot otipi zzazione (WWLUKPJL L KP :[H[V H WYV]H KLSS»,ZHT JVUK ;LTP KLSSH ZL 346 VI Guida alla lettura

7 Il tuo libro su web I contenuti del tuo libro proseguono sul web all indirizzo Internet Sulle pagine del testo trovi i rimandi alle espansioni: digitando il codice che hai trovato all interno di questo volume, potrai accedervi direttamente e scaricarle sul tuo computer. A partire dalla pagina iniziale, che vedi qui riportata, puoi navigare nei contenuti digitali suddivisi per modulo: l approfondimenti; l grafici e tabelle; l rassegne fotografiche; l filmati; l test. Strumenti sempre disponibili: l indicazioni utili per l uso del foglio di calcolo (tutorial); l linkografia a siti di interesse; l calcolatrice; l tavola periodica; l unità di misura; l normativa di riferimento del settore (UNI e normativa macchine). VII

8 Indice parte 1 Meccanica. applicata Modulo 1 l Organi delle macchine Biella-manovella Meccanismi e manovellismi Manovellismo di spinta rotativa Elementi.costruttivi Cinematica del manovellismo Spostamento.del.piede.di.biella Velocità.del.piede.di.biella Accelerazione.del.piede.di.biella Dinamica del manovellismo Forze agenti in un motore a 4 tempi ad accensione comandata Il momento motore Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Eccentrici e camme Generalità Cinematica del moto Tipi di eccentrici a camme Camme.a.cuore VIII IndIce

9 Camme.dei.motori.a.combustione.interna Camme.per.macchine.automatiche Forze agenti Camme elettroniche Glossary Esercizi proposti Questionario Regolazione del periodo nel moto rotatorio Generalità Lavoro eccedente Calcolo del volano Soluzioni costruttive Verifica della resistenza alla forza centrifuga Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Bilanciamento delle forze d inerzia Generalità Bilanciamento della forza d inerzia centrifuga Bilanciamento delle forze alterne Configurazione degli alberi a gomiti Motore.monocilindrico Motore.bicilindrico Motori.a.più.cilindri Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Dimensionamento delle bielle Caratteristiche delle bielle Forze agenti nel meccanismo biella-manovella Biella.allineata.alla.manovella.con.pistone. al.punto.morto.superiore Biella.perpendicolare.alla.manovella.in.posizione. di.quadratura Dimensionamento delle bielle Bielle.lente Bielle.veloci Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario IndIce IX

10 . 6. Alberi, perni e i cuscinetti Generalità Dimensionamento degli assi e degli alberi Calcolo.degli.assi Calcolo.degli.alberi.di.trasmissione Verifica.di.rigidità Cuscinetti e supporti Cuscinetti. volventi Perni di estremità Perni.lenti.(verifica.a.pressione.specifica) Perni.veloci.(verifica.a.dispersione.di.calore) Perni portanti intermedi e d estremità Principi.di.progetto Elementi.strutturali.particolari Pressione.specifica.e.surriscaldamento Perni di spinta Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Dimensionamento delle manovelle Generalità Dimensionamento della manovella di estremità Dimensionamento.del.bottone Dimensionamento.del.perno.di.banco Dimensionamento del braccio di manovella Verifica.della.sezione.tangente.al.mozzo.del.perno. di.manovella Verifica.della.sezione.tangente.al.mozzo.dell albero Calcolo della manovella intermedia Formulario Glossary Esercizi proposti Questionario Molle Generalità Molle di flessione Molle di torsione Molle elicoidali Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario X IndIce

11 Modulo 2 l La regolazione Regolatori meccanici Sistemi, controllo e regolazione Sistemi.di.controllo.automatico Modelli.matematici.e.funzione.di.trasferimento Regolazione della velocità di rotazione Regolatori di Watt e di Porter Regolatore.di.Watt Regolatore.di.Porter Regolatore di Hartung Tensioni.massima.e.minima.delle.molle Dimensionamento.del.regolatore.di.Hartung Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Modulo 3 l Organi di collegamento, giunti, innesti e freni Organi di collegamento Generalità Giunzioni saldate Verifiche.di.resistenza.su.saldature Giunzioni chiodate Verifiche.di.resistenza Collegamenti filettati Viti.di.collegamento.con.filettatura.ISO Serraggio.e.calcolo.di.resistenza Verifica.nei.casi.di.unione Chiavette e linguette Alberi scanalati Formulario Glossary Questionario Giunti, innesti e freni Generalità Giunti rigidi Giunti elastici Giunti.idraulici Giunti articolati Innesti Innesti.a.frizione Innesti.centrifughi Innesti.a.denti IndIce XI

12 Freni Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario Modulo 4 l Apparecchi di movimentazione Sollevamento e trasporto Generalità Martinetti e binde Paranchi Verricelli e argani Taglie Sistemi.frenanti Ganci Criteri di calcolo Gru e carroponte Montacarichi e ascensori Carrelli semoventi Trasportatori per movimentazione continua Formulario Glossary Esercizi svolti Esercizi proposti Questionario In Auladigitale Approfondimenti Modellazione solida del sistema biella-manovella-cilindro Applicazione degli alberi a camme elettronici Tipi di alberi a gomiti Le bielle in titanio Sollecitazione sulla biella: flessione Evoluzione storica dei sistemidi controllo Grafici e tabelle Grado di irregolarità per diversi tipi di macchine Cuscinetti: valori di L h Perni: pressione specifica ammissibile Perni: coefficienti di attrito Materiali utilizzati per la costruzione di molle Schemi di saldatura Chiodi Rivetti Filettature Rassegne fotografiche Alberi, perni e cuscinetti Tipi di molle Giunti Viti Dadi Collegamenti filettati Giunti Innesti Freni Dispositivi di movimentazione Test Unità 1 Unità 2 Unità 3 Unità 4 Unità 5 Unità 6 Unità 7 Unità 8 Unità 9 Unità 10 Unità 11 Unità 12 XII IndIce

13 parte 2 Meccanica.applicata. alle.macchine Modulo 5 l Macchine e impianti termici motori a combustione interna Generalità Motori ad accensione comandata Distribuzione Carburazione.e.iniezione.elettronica Accensione Alimentazione.a.gas.liquidi Motori ad accensione comandata a 2 tempi Motore Diesel a 4 tempi Common rail Principio.di.funzionamento Circuito.ad.alta.pressione Motore Diesel a 2 tempi Motori navali Raffreddamento Lubrificazione Rendimenti. Potenze. Curve caratteristiche Sovralimentazione Inquinamento Formulario Glossary Esercizi proposti Questionario Impianti frigoriferi e di climatizzazione Generalità Ciclo termodinamico inverso Ciclo reale Fluidi frigoriferi Pompa di calore Climatizzazione degli edifici Cogenerazione Struttura.di.un.impianto.di.cogenerazione Trigenerazione Formulario Glossary Questionario IndIce XIII

14 Modulo 6 l Protezione e sicurezza Impianti antincendio Impianti di spegnimento Impianti.ad.azoto Impianti.a.miscela.argon-azoto Impianti.a.CO 2.(anidride.carbonica) Impianti.idranti Impianti.sprinkler.antincendio Impianti.schiuma Impianti.Halocarbon Impianti.a.polvere Impianti.Water.Mist Agente estinguente ad aerosol Compartimentazione REI Serramenti.antincendio.REI Stazioni di pompaggio Evacuazione fumi Glossary Sistemi antinquinamento Difese dall inquinamento Filtri.per.aria Sistemi di depurazione industriale Depurazione.delle.nebbie.d olio.e.di.emulsione Le camere bianche Sistemi di sicurezza contro le esplosioni Sistemi.di.soppressione.e.controllo.esplosioni Rumore negli impianti di aerazione Ventilatori Ventilazione.negli.ambienti.industriali Tipologie.di.ventilatori Estrattori Raffrescamento Glossary In Auladigitale Approfondimenti Sovralimentazione dei motori endotermici a pistoni Rassegne fotografiche Il motore Wanklel Classi di consumo energetico Impianti di estinzione Segnaletica di sicurezza Grafici e tabelle Fluidi frigoriferi Caratteristiche dei filtri per aria Test Unità 13 Unità 14 Unità 15 Unità 16 XIV IndIce

15 Appendice Tecniche.di.progettazione. e.prototipizzazione Elementi del progetto Procedura di progetto Disegnazione.e.diagrammi.temporali Analisi.del.progetto Prototipazione Temi.della.seconda.prova. dell Esame.di.Stato Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria Sessione ordinaria IndIce

16 parte 1 Meccanica applicata Le macchine motrici si possono suddividere in due grandi categorie: l l a regime di moto assoluto: sono tutte le macchine che funzionano a energia cinetica costante; tra queste ci sono, per esempio, le turbine idrauliche e quelle a gas; a regime di moto periodico: sono le macchine in cui l energia cinetica varia in modo periodico; a questo consegue una variazione periodica della velocità degli organi in movimento, pur rimanendo costante il valor medio; appartengono a questa categoria le motrici a vapore e i motori a combustione interna. In queste macchine occorre trasformare il moto alternativo del pistone in moto rotatorio uniforme dell albero motore. La trasformazione si effettua per mezzo del meccanismo biella-manovella, e questo determina una modifica periodica della coppia motrice tra un valore massimo e uno minimo. Di conseguenza la velocità angolare dell albero non si mantiene costante ma oscilla, garantendo la costanza del valor medio in un periodo. Obiettivo di questo modulo è lo studio del funzionamento e del dimensionamento degli organi che trasformano il moto alternativo in moto rotatorio e permettono di ottenere un valor medio pressoché costante della velocità di moto dell albero motore. Il meccanismo di trasformazione del moto da alternativo a rotatorio è la coppia biellamanovella, mentre quello che determina una velocità media relativamente uniforme è il volano. Quest ultimo è costituito da una massa rotante, dimensionata in modo da immagazzinare energia durante la fase d aumento della velocità e restituirla durante quella di diminuzione. Il progetto del volano deve essere contestuale a quello del meccanismo biella-manovella perché ne costituisce parte integrante a causa del fatto che soltanto con un corretto bilanciamento delle masse in moto all interno del motore si eliminano le vibrazioni e gli effetti di discontinuità. Un ulteriore organo essenziale al funzionamento delle motrici (sia a regime assoluto sia a regime periodico) è il regolatore. La funzione svolta dal regolatore è quella di mantenere costante la velocità angolare dell albero motore al variare degli effetti di carico (momento resistente). I regolatori intervengono in modo automatico, modificando la quantità di fluido che giunge al motore in modo inversamente proporzionale alle modifiche della coppia resistente; questo avviene, naturalmente, nell ipotesi che a un maggior afflusso di fluido motore corrisponda un aumento della coppia motrice e viceversa. Una funzione fondamentale del regolatore è quella di non opporsi a modifiche della velocità o della coppia motrice comandate dall esterno; in altri termini, se chi controlla la motrice richiede una maggior coppia (per esempio mediante il comando dell acceleratore in un auto), il regolatore non solo non vi si deve opporre, ma deve favorire il raggiungimento della velocità o della coppia desiderata. Aula digitale Approfondimenti Grafici e tabelle Rassegne fotografiche Filmati Test

17 Modulo 1 l Organidellemacchine Unità 1 Biella-manovella Unità 2 Eccentrici e camme Unità 3 Regolazione del periodo nel moto rotatorio Unità 4 Bilanciamento delle forze d inerzia Unità 5 Dimensionamento delle bielle Unità 6 Alberi, perni e cuscinetti Unità 7 Dimensionamento delle manovelle Unità 8 Molle In questo modulo verranno trattati gli organi principali delle macchine. In particolare verranno affrontati i temi relativi a: l meccanismi e manovellismi; l eccentrici e camme l volani; l bilanciamenti delle forze d inerzia; l alberi; l perni; l cuscinetti e le molle. Fig. 1 Albero a camme.

18 1. Biella manovella unità Obiettivi Conoscere il funzionamento della bielle-manovella Saper calcolare velocità e accelerazione del piede di biella Conoscere le forze agenti sulla biella-manovella Approfondimenti n Modellazione solida del sistema biella-manovella-cilindro 1.1 Meccanismi e manovellismi Un meccanismo è una catena di organi rigidi tra loro collegati in modo che il moto si trasmetta da uno all altro; gli organi componenti vanno a costituire una catena cinematica. La struttura fissa a cui possono essere collegati uno o più elementi del meccanismo è denominata telaio. In figura 1.1 è riportato l esempio di un meccanismo utilizzato per la trasformazione del moto da rotatorio a traslatorio (glifo). Il moto relativo tra due elementi rigidi a contatto avviene mediante le coppie cinematiche, realizzate attraverso superfici o punti di contatto che combaciano tra loro consentendo uno o più gradi di libertà. Esempi tipici di coppie cinematiche sono: l l l l la coppia prismatica (guida), in cui il contatto è tra superfici cilindriche o prismatiche e il moto libero è quello di traslazione, come per esempio nel caso di pistone e stantuffo; la coppia rotoidale (cerniera), che consente un moto di rotazione attorno a un asse; la coppia sferica, con il contatto in un punto e la possibilità di rotazione attorno a tre assi; la coppia elicoidale (vite-madrevite), con cui si realizza un moto relativo di rotazioneavanzamento che dà luogo al moto elicoidale. Fig. 1.1 Manovellismo a glifo per la trasformazione del moto rotatorio in moto traslatorio. 4 Parte 1 Meccanica applicata

19 Sono manovellismi i meccanismi formati da più aste collegate tra loro mediante delle cerniere (sistemi articolati). Un tipico esempio di manovellismo è il quadrilatero articolato (fig. 1.2); questo è il sistema articolato più semplice, costituito da quattro coppie rotoidali e, conseguentemente, da quattro aste. AB è il lato fisso (telaio); i lati adiacenti AD e BC, collegati con cerniere al lato fisso, si chiamano manovelle se possono compiere un intera rotazione attorno all asse della coppia che li collega al telaio o bilancieri se compiono una corsa limitata a un settore; DC, che costituisce il lato opposto al telaio, prende il nome di biella. Quest ultima si muove attorno a Fig. 1.2 Quadrilatero articolato. un centro istantaneo di rotazione o CIR. Nel moto piano di un corpo rigido per ogni piccolo spostamento esiste (non necessariamente all interno del corpo, ma solidale con esso) un punto a velocità nulla attorno a cui avviene una pura rotazione: esso è denominato centro istantaneo di rotazione (CIR). Si definisce istantaneo perché il punto è centro di rotazione solo in quell istante; a ogni istante successivo si ha un nuovo CIR. Per qualunque punto del corpo, nel moto istantaneo l espressione della velocità è: dove: v 5 v # r l v è la velocità di rotazione attorno al CIR; l r è la distanza tra il punto e il CIR. Conoscendo le traiettorie di due punti del moto rigido piano (guide del moto), è possibile individuare la posizione del centro istantaneo di rotazione nel punto di intersezione delle perpendicolari alle guide del moto. Nel caso del moto rotatorio il CIR non cambia posizione nel tempo: esso coincide con la traccia dell asse di rotazione sul piano del moto. Quando sono stabilite le caratteristiche geometriche, è sufficiente un solo parametro per definire la posizione del meccanismo: questo, per esempio, può essere un angolo di manovella. 1.2 Manovellismo di spinta rotativa Il meccanismo di biella-manovella, o manovellismo di spinta rotativa, trova larga applicazione nelle costruzioni delle macchine. Il meccanismo, rappresentato schematicamente in figura 1.3, consente di trasformare il moto alterno rettilineo dello stantuffo, e quindi del piede di biella, in moto rotatorio dell albero motore (motori alternativi), mentre permette di fare il contrario nel caso delle macchine operatrici alternative (pompe e compressori). Fig. 1.3 Schema di manovellismo di spinta rotativa. Unità 1 Biella-manovella 5

20 Un estremo della biella (piede) è collegato, tramite un cuscinetto, al perno C dello stantuffo, mentre l altro (testa) è collegato al bottone B di manovella; questa è solidale all albero motore. Il moto della manovella m è continuo e circolare, mentre quello del piede di biella C è rettilineo alterno; tutti i punti intermedi della biella hanno traiettorie ellittiche. Il bottone di manovella B descrive una traiettoria circolare di centro O e raggio r uguale alla lunghezza della manovella; il piede di biella e lo stantuffo, che è a esso solidale, descrivono una traiettoria rettilinea i cui punti estremi, punto morto superiore P ms e punto morto inferiore P mi, delimitano la corsa s, che è uguale al doppio del raggio di manovella. Indicando con v la velocità angolare della manovella, la velocità del bottone di manovella B vale: v 5 v # r La velocità media dello stantuffo (pistone) è data da: v 5 2 # s t 5 2 # s # n 60 [m/s] Fig. 1.4 Biella. in cui n è il numero di giri al minuto dell albero ed s è la corsa espressa in metri. Si parla di velocità media perché il piede di biella C ha moto alterno e quindi velocità variabile nel tempo. La biella, schematizzata con un segmento in figura 1.3, in realtà è un organo di forma allungata costituito da un corpo centrale, detto fusto, alla cui estremità sono raccordati due supporti cilindrici ad assi paralleli e di diametro diverso (fig. 1.4). L estremità di diametro maggiore è denominata testa della biella, costituita da due semigusci uniti tra loro mediante bulloni; l altra estremità, di diametro minore, è denominata piede di biella. Il fusto ha sezione crescente dal piede alla testa e presenta una sezione a doppia T o, in qualche caso, circolare cava a seconda che la biella sia utilizzata in macchine veloci o lente. In alcuni motori a combustione interna alternativi, che erogano elevate potenze, il piede di biella, invece di essere collegato direttamente allo stantuffo, si articola con un organo intermedio chiamato testa a croce, costituito da pattini che consentono la traslazione, riducendo l attrito all interno di una guida. Il testa-croce è collegato al pistone tramite un asta chiamata stelo (fig. 1.5). Fig. 1.5 Articolazione della biella con il pistone e la manovella. 6 Parte 1 Meccanica applicata

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