Modulo di Fondamenti di Costruzione di Macchine Prof. Pietro Salvini salvini@uniroma2.it Richiami sulla cinematica del punto materiale e dei corpi rigidi. Sistemi vincolati. Condizioni di equilibrio del punto materiale e del corpo rigido. Sistemi di forze equivalenti. Sistemi labili, isostatici e iperstatici. Reazioni vincolari ed azioni interne. Soluzione di strutture a sviluppo reticolare. Programma: Geometria delle aree. Stati di tensione in elementi monodimensionali (travi): trazione, flessione, taglio, torsione. Deformazione di strutture di elementi monodimensionali. Principio dei lavori virtuali. Studio e risoluzione della deformata elastica di strutture piane composte da travi. Risoluzione di instabilità dell equilibrio elastico. Tensori per la valutazione degli stati di tensione e di deformazione nei corpi elastici, casi notevoli. Proprietà strutturali dei materiali. Caratterizzazione meccanica dei materiali. Criteri di rottura e loro uso per effettuare verifiche strutturali. Dimensionamento di assi ed alberi a sollecitazione e deformazione.
Testi consigliati: Fondamenti di costruzione di macchine (Bernasconi, Filippini, Giglio, Lo Conte, Petrone, Sangirardi), McGrawHill. Meccanica dei solidi, Elementi di Scienza delle costruzioni (Beer, Johnston, DeWolf) McGraw Hill. Appunti e lucidi resi disponibili dal docente
La Costruzione di macchine si occupa dei criteri generali per la progettazione di macchine di ogni tipo: Aerei, automobili, treni, escavatori, Ciascuna macchina è caratterizzata da una funzione predominante ed eventualmente altre secondarie Ogni macchina a sua volta si compone di sottosistemi (macchine) ciascuno avente una sua sottofunzione
Scomponendo ulteriormente i componenti delle macchine, si determinano un insieme di sottocomponenti elementari, che determinano gli elementi delle macchine, caratterizzati ciascuno da una determinata funzione Assi e alberi Collegamenti fissi Trasmissioni di potenza Cuscinetti Giunti, innesti e frizioni Freni Molle Motori elettrici Turbine. ASSI, ALBERI E PERNI Ciascuno di questi elementi viene progettato secondo criteri di verifica/resistenza suoi propri che costituiscono l asse della progettazione meccanica Gli alberi trasmettono potenza meccanica attraverso un momento torcente Gli assi possono essere rotanti o fissi e sono sollecitati principalmente a flessione I perni sono in genere fissi ed essendo corti sono principalmente sollecitati a taglio Albero Asse rotante Perno
Collegamenti fissi o smontabili Saldature o brasature Costituiscono un collegamento non smontabile che comporta la generazione di un unico componente dal punto di vista strutturale Collegamenti bullonati o flange Costituiscono un collegamento smontabile, preciso ma costoso, capace anche di realizzare tenute di fluidi in pressione Collegamenti forzati Costituiscono un collegamento non facilmente smontabile, economico ma non di grande precisione La coppia che si può trasmettere è ridotta
Cuscinetti volventi o striscianti Sostengono assi e alberi rotanti sui carter, alberi concentrici in moto relativo, Giunti, innesti, frizioni, limitatori di coppia Sono connessioni stabili, con caratteristica spesso smorzante e in grado di assorbire strappi alla coppia torcente Elementi elastici Oppure possono essere ad innesto a fermo od in moto (frizioni)
Freni a tamburo, disco, elettromagnetici, Molle ed elementi elastici La funzione è quella di accumulare e restituire energia meccanica in forma elastica Ma anche di diminuire i sovraccarichi dinamici Tipiche funzioni delle molle sono: 1) 2) 3) 4) Applicazione di una forza di valore determinato Richiamo in posizione di un determinato componente Riduzione di vibrazioni causate da irregolarità o dinamica Immagazzinamento più o meno transitorio di energia meccanica
La Costruzione di Macchine, per tutti questi elementi di macchine e molti altri ancora, fornisce strumenti di studio e calcolo per il dimensionamento e la verifica dei componenti Molteplici possono essere le verifiche da considerare (a seconda del problema affrontato) Rottura sotto carico statico Snervamento della struttura Deformazioni o frecce sotto carico Instabilità statica o dinamica della struttura Rottura per carichi ripetuti (fatica) Rotture dovute ad eccessive concentrazioni di tensioni Rotture causate da difetti strutturali (meccanica della frattura) Sollecitazioni dovute a risonanze o amplificazione dinamica Combinazione di carichi a temperature elevate (creep) Effetti di urti o carichi transitori rapidamente variabili Corrosione localizzata o diffusa Eccessiva Potenza acustica emessa durante il funzionamento
Una verifica si esplica con una disuguaglianza tra la condizione limite che porta all incipiente condizione di fuori servizio e quella di effettivo funzionamento Questa logica comporterebbe la sistematica prova di ogni componente Costi insopportabili E la tensione corrispondente alle reali condizioni di funzionamento In termini tensionali ideale ammissibile E la tensione ammissibile nel materiale per le condizioni d uso considerate Queste grandezze non sono dimensionalmente affini Per ovviare all incongruenza si valuta la tensione ammissibile utilizzando la tensione limite ed il coefficiente di sicurezza ammissibile 1 X limite ideale X limite La tensione limite viene valutata sperimentalmente in condizioni il più possibile standard ossia su adatti provini Idealmente, la si vorrebbe caratteristica del solo materiale Il coefficiente di sicurezza non è altro che un tentativo di rendere i due termini della disuguaglianza congruenti Esso cresce con le incertezze legate alla disuguaglianza
In realtà occorrono considerazioni di ordine statistico per valutare come il coefficiente di sicurezza possa collegarsi all affidabilità - vero obiettivo della verifica strutturale AFFIDABILITA Probabilità che un determinato componente possa realizzare la sua missione di vita Ulteriori considerazioni L analisi delle sollecitazioni di un componente meccanico può essere spinta a qualsivoglia grado di approfondimento Occorre valutare l ottimale livello di studio Bisogna identificare gli strumenti idonei all approfondimento stimato Verifica a pressione statica Verifica del sistema appoggio Effetto del peso liquido Sovraccarichi dinamici Corrosione ambientale Verifica saldature Difettosità ammissibile Resistenza a piccoli urti Resistenza a incidenti gravi Esempi Costi crescenti Progettazione a hoop stress Verifica saldature Verifica isolamento galvanico Verifica danneggiamenti esterni Effetto terremoti o smottamenti Arresto eventuali fratture Difettosità ammissibile monitoraggio erosione interna