ELEMENTI MONODIMENSIONALI -...
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Costruzione di Macchine 1
ELEMENTI
MONODIMENSIONALI PROGETTO STRUTTURALE
Costruzione di Macchine 2
Classificazione
• Una classificazione degli elementi delle macchine può essere fatta, in modo sufficientemente esauriente, dividendo gli elementi in base al numero delle variabili spaziali da cui dipende lo stato di sforzo e deformazione.
• In questo modo è possibile definire gli elementi monodimensionali, bidimensionali e tridimensionali
Costruzione di Macchine 3
Teoria della trave
• Quando una della dimensioni, per
esempio la x, è prevalente sulle altre si
possono studiare un numero notevole di
casi di pratico interesse
• In tali casi si applicano le equazioni
fondamentali della “teoria della trave” per
studiare lo stato di sforzo e di
deformazione.
Costruzione di Macchine 4
Teoria della trave
• Le ipotesi fondamentali sono: – Il materiale è elastico lineare, omogeneo e ed
isotropo
– L’elemento è rettilineo con dimensioni trasversali trascurabili rispetto alla lunghezza
– I carichi provocano una distribuzione di spostamenti w(x) tali che la curvatura della deformata è:
– Le sezioni piane rimangono piane dopo la deformazione
2
21
dx
wd
R
Costruzione di Macchine 5
Teoria della trave
• Detto I il momento di inerzia della sezione
retta della trave intorno all’asse di
flessione e se M(x) è la distribuzione del
momento flettente, si ottiene:
)(2
2
xMdx
wdEI )(xT
dx
dMdato che )(
)(xp
dx
xdT
Si ottiene )(4
4
xpdx
wdEI
Detta equazione fondamentale della
teoria della trave
Costruzione di Macchine 6
Teoria della trave
• Assumendo che il corpo abbia una sezione
circolare si hanno le seguenti relazioni
fondamentali:
f
y
y
y
W
xMd
I
xM )(
2
)(max FLESSIONE
16
2 3d
d
IW
p
t
FORZA NORMALE A
NN
2
4dA
TAGLIO
TORSIONE
)()(
)(zS
zbI
xT
y
xy A
xTxy
3
)(4(max)
t
t
p
txy
W
Mz
I
M
32
2 3d
d
IW
y
f
Costruzione di Macchine 7
Teoria della trave
• Integrando l’equazione fondamentale della trave è possibile, con le condizioni al contorno, ricavare l’andamento della deformata w(x).
• Questo procedimento è valido finché la lunghezza della trave è superiore a 5/10 volte la massima dimensione trasversale.
• Altrimenti la trave è da considerarsi tozza ed è necessario considerare anche l’abbassamento dovuto al taglio.
• I risultati qui riassunti possono essere anche ottenuti direttamente trovando la soluzione esatta del problema elastico.
Costruzione di Macchine 8
Elementi monodimensionali
• I principali elementi monodimensionali
presenti nella costruzione delle macchine
sono classificati come:
– PERNI (elementi che non ruotano)
– ASSI (elementi che ruotano ma non
trasmettono potenza)
– ALBERI (elementi che ruotano e
trasmettono potenza)
Costruzione di Macchine 9
I perni
• I perni sono elementi che realizzano
solitamente cerniere cilindriche. Essi sono
a forma di cilindro retto e sono sollecitati a
taglio e flessione.
Costruzione di Macchine 10
I perni
Costruzione di Macchine 12
I perni
Costruzione di Macchine 13
I perni
Costruzione di Macchine 14
I perni b c g b g
Tenuta
Foro
Lubrificazione
Cuscinetto
Dispositivo di
fissaggio del
perno
Costruzione di Macchine 15
I perni
• I passi da seguire per progettare un perno
possono essere riassunti nel seguente elenco:
1. Determinare lo schema statico del perno: cioè si
deve determinare la condizione di vincolo della
trave che rappresenta il comportamento
strutturale del perno.
2. Determinare la, o le condizioni, di carico agenti.
3. Determinare gli sforzi massimi presenti nel
materiale.
4. Eseguire le verifiche di resistenza.
Costruzione di Macchine 16
I perni
• E’ da notare che per eseguire i passi 3. e
4. devono essere note tutte le dimensioni
del perno che, a loro volta, devono essere
determinate sulla base del dimensiona-
mento ancora da eseguire. Per risolvere
questo problema si è soliti scindere il
passo 3 in alcune attività elementari,
Costruzione di Macchine 17
I perni
3.1 Assumere le dimensioni principali del
perno, eccetto il suo diametro, in base a
considerazioni diverse dalla resistenza.
3.2 Determinare la dimensione del diametro
nel punto più sollecitato imponendo la
condizione di resistenza.
3.3 Determinare gli sforzi negli altri punti
caratteristici del perno.
Costruzione di Macchine 18
I perni
• Per quanto riguarda i punti nei quali è
possibile che la resistenza del materiale
sia messa in crisi, si può assumere che sia
necessario determinare:
– Lo sforzo massimo di flessione
– Lo sforzo massimo di taglio
– Lo sforzo massimo di contatto in
corrispondenza o dei vincoli o della zona di
applicazione del carico
Costruzione di Macchine 19
I perni
f
b g b c g
d
fc / b fc / b
SEZ. A
SEZ. A
Vista la deformata del perno, il materiale che costituisce gli appoggi sarà
schiacciato maggiormente nella parte interna del perno e lo schiacciamento
diminuirà verso l’estremità del perno stesso. Pertanto, in prima approssimazione,
si può assumere che il carico sugli appoggi sia distribuito con legge lineare.
Costruzione di Macchine 20
I perni
Condizione di carico
Diagramma del taglio
Diagramma del momento
Costruzione di Macchine 21
I perni
• Lo sforzo massimo di flessione si verifica
nel centro del perno, avendo supposto di
concentrare le reazioni vincolari nel
baricentro della distribuzione triangolare
432max
cg
bfcM
Ad esso corrisponde lo sforzo massimo:
43
163max
cg
b
d
fc
Costruzione di Macchine 22
I perni
• Lo sforzo massimo di taglio si verifica
invece tra il baricentro della distribuzione
triangolare sugli appoggi e l’inizio della
zona caricata in corrispondenza al
cuscinetto
2max3
8
d
fc
Costruzione di Macchine 23
I perni
• Lo sforzo massimo di contatto si calcola
considerando che:
– Lungo l’asse la distribuzione è lineare
– Lungo il contorno la distribuzione e
cosinusoidale
– In realtà il problema è più complesso e quella
vista è solo una prima approssimazione
bd
fc
bd
fcac
424
2)(
Costruzione di Macchine 24
I perni
• In conclusione, viste le relazioni scritte e
considerando di poter assumere c in base ad
altri dimensionamenti indipendenti da quello del
perno, b in base a considerazioni di ingombro e
g in base all’esperienza di realizzazioni consimili
funzionanti correttamente, è possibile usare la
definizione dello sforzo massimo di flessione
come relazione di progetto impiegando
successivamente le altre per eseguire la verifica.
Costruzione di Macchine 25
I perni
• Questo “disaccoppiamento” del problema è valido perché:
– Il massimo dello sforzo di flessione è in mezzeria alla periferia della sezione
– Il massimo dello sforzo di taglio è nel tratto tra il vincolo e l’inizio della zona caricata, nel centro della sezione
– Il massimo dello sforzo di contatto è al termine della zona di appoggio sulla superficie esterna.
Costruzione di Macchine 26
I perni
• Pertanto si deve ricavare il valore del diametro dalla relazione
• Dove af è la tensione ammissibile a fatica calcolata applicando la UNI 7670
• Qualora il carico esterno sia statico, il valore ammissibile è pari allo sforzo di snervamento diviso per il coefficiente di sicurezza
3max32
af
Md
Costruzione di Macchine 27
I perni
• In generale il valore del diametro calcolato sarà un numero con decimali. La realizzazione pratica del perno impone invece di partire da un semilavorato commerciale
• Deve quindi risultare
Deff = Dcomm-2tlav > dcalcolato
tlav spessore da asportare durante la lavorazione di finitura.
Costruzione di Macchine 28
I perni
• Esempio:
dcalcolato= 26.5 mm (risultato del calcolo di
resistenza)
tlav = 1 mm (lavorazione di sgrossatura e
finitura)
• Dcomm (20,25,30,35,40,...) mm
Dcomm = 30 mm
Deff = Dcomm-2tlav >= 28 mm > 26.5 mm = dcalcolato
Costruzione di Macchine 29
Gli Assi
• Gli assi sono elementi monodimendionali
rotanti
• Essi non trasmettono potenza
• Sono soggetti ad una sollecitazione di
fatica, anche se i carichi sono costanti nel
tempo, a causa del movimento rotatorio
• Sono dotati di cuscinetti e di altri elementi
che trasmettono il carico.
Costruzione di Macchine 30
Gli Assi
Schema di asse per un vagoncino ferroviario
Costruzione di Macchine 31
Gli assi
Costruzione di Macchine 32
Gli assi
Costruzione di Macchine 33
Gli Assi
• Anche agli assi, vista la forma e le dimensioni, è possibile applicare la teoria della trave.
• La sollecitazione prevalente è quella di flessione, anche se deve comunque essere eseguita nei punti più critici la verifica a taglio
• Rispetto ai perni perde invece di significato la verifica delle tensioni di contatto.
• In molti casi può essere importante determinare la freccia massima e la rotazione sugli appoggi. Tale problema è analogo a quello che si affronta nella verifica a deformazione degli alberi, che verrà trattata più avanti.
Costruzione di Macchine 34
Gli Assi
• Da un punto di vista operativo la sequenza delle
operazioni per il progetto è analoga a quella già
vista per i perni:
– Determinare lo schema statico associato all’asse che
consente di definire il suo comportamento strutturale.
– Determinare la, o le, condizioni di carico agenti.
– Determinare gli sforzi massimi presenti nel materiale.
– Eseguire le verifiche di resistenza.
Costruzione di Macchine 35
Gli Assi
• Nel caso degli assi la difficoltà essenziale sta nelle limitazioni della teoria della trave per calcolare lo stato di sforzo di un elemento monodimensionale di forma non regolare.
• Infatti in corrispondenza delle ruote e dei cuscinetti, l'asse presenta brusche variazioni di forma.
• Le singolarità di forma inducono una profonda variazione nello stato tensionale rispetto a quello ideale competente all’elemento di forma regolare, in base alla teoria della trave. Questa variazione genera una vera e propria concentrazione delle tensioni con valori massimi che possono essere varie volte quelli nominali.
Costruzione di Macchine 36
Gli Assi
• Dal punto di vista del calcolo degli sforzi
questo problema si risolve introducendo il
fattore di concentrazione delle tensioni kt
• Tale fattore dipende dalla sollecitazione
agente, dalla geometria della singolarità e
dalle dimensioni
• Tale dipendenza è evidenziata mediante
relazioni numeriche approssimate o grafici
Costruzione di Macchine 37
Gli Assi
• E’ evidente allora che questo fatto introduce un’ulteriore complicazione nel processo di progetto di un asse.
• Infatti, anche se sono note tutte le dimensioni eccetto il diametro minimo, quest’ultimo non può essere determinato con certezza in quanto non è possibile conoscere con esattezza il valore di kt.
• Per risolvere operativamente il problema si procede utilizzando un processo iterativo di operazioni di progetto e verifica che giunge, di solito, a rapida convergenza.
Costruzione di Macchine 38
Gli Assi
1) Determinare lo schema statico associato all’asse che
consente di definire il suo comportamento strutturale.
2) Determinare la, o le, condizioni di carico agenti
3) Risolvere la struttura cioè calcolare le reazioni vincolari e i
diagrammi delle sollecitazioni agenti
Costruzione di Macchine 39
Progetto degli assi
• Supponendo di conoscere in base a considerazioni di ingombro o ad altri dimensionamenti, le dimensioni l e b, nella generica sezione i-esima si può porre, detta 0 la resistenza di riferimento del materiale
0 f
i
iW
Mcioè 30 32
d
Pb
Da cui si ottiene
3
0
32
Pd
Costruzione di Macchine 40
Progetto degli assi
• E’ evidente che in tal modo si trascura l’effetto della concentrazione delle tensioni conseguente alla presenza della brusca variazione di sezione presente in A.
• Per ovviare a tale inconveniente si è soliti assumere per 0 un valore congruemente minore (3 o 4 volte) della resistenza effettivamente resa disponibile dalle caratteristiche del materiale.
• In tal modo si determina d ; in base ad esso è possibile definire tutte le grandezze geometriche caratteristiche dell’asse.
Costruzione di Macchine 41
Progetto degli assi
• È possibile anche scegliere il cuscinetto
volvente e quindi determinare l’entità dello
spallamento necessario e del raggio di
raccordo compatibile con l’anello interno
del cuscinetto stesso.
• Ciò consente, tra l’altro, di valutare
mediante gli appositi diagrammi il valore di
kt e di eseguire la verifica della sezione
Costruzione di Macchine 42
Progetto degli assi
• La relazione da utilizzare è quindi la seguente:
k
nTK
Ifdc
Daf KKK
KKKK
11
Fd
Pb03
32
Dove 0F è la tensione ammissibile a fatica che
dipende, tra l’altro dal fattore di concentrazione
delle tensioni
11'
102N 102
102N 102
2
6
'/16
6
/16
cc
NK
NK
c
n
c
n
max
min
10
3
5
11
3
5
0k1- 23
5
k
k
kR
K
kK
f
K
K
DRc
loglog
108log102log 36
Costruzione di Macchine 43
Progetto degli assi
• Se la verifica è soddisfatta, il processo di progetto ha termine, altrimenti è necessario variare opportunamente il diametro d per ottenere il superamento della verifica di resistenza.
• La verifica deve essere eseguita nuovamente anche nel caso che la sia soddisfatta al primo tentativo con un margine eccessivo. Infatti in tal caso si avrebbe uno spreco di materiale.
• L’iter progettuale ora esposto definisce, da un punto di vista progettuale, un “modus operandi” di riferimento per il progetto a resistenza di un asse.
Costruzione di Macchine 44
Gli Alberi
• Gli alberi sono elementi meccanici impiegati per il trasferimento di potenza.
• Per tale funzione essi sono soggetti a taglio, forza normale, flessione e torsione.
• Essendo elementi rotanti essi sono soggetti a fatica anche in presenza di carichi esterni costanti.
• Spesso però la sollecitazione di fatica trae origine anche dalla variabilità ciclica dei carichi esterni.
Costruzione di Macchine 45
Gli Alberi
• Gli alberi sono gli elementi ad asse rettilineo più complessi tra quelli fin qui esaminati. Tale complessità deriva dalle caratteristiche dei carichi agenti e dalla forma e dalle dimensioni.
• Per quanto riguarda la forma si è sempre in presenza di variazioni di sezione, fori, cave, scanalature che alterano profondamente, come già accennato nel paragrafo relativo agli assi, la distribuzione delle tensioni.
• Anche le dimensioni sono motivo di complessità. È infatti assai frequente che le dimensioni assiali e trasversali non siano quelle per cui la teoria della trave fornisce risultati esatti.
Costruzione di Macchine 46
Gli Alberi
Costruzione di Macchine 47
Gli Alberi
Costruzione di Macchine 48
Il progetto degli alberi
• Il processo di progetto e verifica è complesso ed articolato. I passi essenziali sono i seguenti: 1. Determinare lo schema statico associato all’albero.
2. Determinare la, o le, condizioni di carico agenti in base alla condizioni operative ed alla tipologia degli organi calettati sull’albero.
3. Risolvere la struttura determinando le reazioni vincolari ed i diagrammi delle sollecitazioni.
4. Eseguire il dimensionamento preliminare dell’albero e il suo disegno di primo tentativo.
5. Eseguire il dimensionamento degli organi calettati o desumere le dimensioni interessanti l’albero dai dimensionamenti già eseguiti.
6. Individuare le sezioni più sollecitate ed eseguire le verifiche di resistenza.
Costruzione di Macchine 49
Progetto degli alberi
• Se il passo finale fornisce risultati con esito positivo, cioè verifica che siano soddisfatte le relazioni di resistenza (con margini non eccessivi), il procedimento si può considerare concluso;
• Altrimenti si deve iterare il procedimento modificando le dimensioni delle parti insufficienti o sovrabbondanti.
• Una volta definita la soluzione finale è possibile produrre il disegno costruttivo dell’albero e la relativa relazione di calcolo
Costruzione di Macchine 50
Progetto degli alberi
Costruzione di Macchine 51
Schema statico
• Per quanto riguarda lo schema statico, esso è essenzialmente di tipo isostatico salvo qualche caso particolare. Supponendo di voler analizzare l’albero intermedio del riduttore lo schema statico è il seguente
Costruzione di Macchine 52
Condizioni di carico
• Le condizioni di carico agenti vengono
solitamente determinate:
– analizzando le condizioni funzionali del
meccanismo, per conoscere la potenza da
trasmettere attraverso l’albero
– considerando la tipologia degli organi calettati
per conoscere le forze che vengono
trasmesse effettivamente.
Costruzione di Macchine 53
Progetto degli alberi
• Una volta determinate le forze agenti e lo
schema statico, essendo quest’ultimo
quasi sempre isostatico, è possibile:
– risolvere la struttura
– determinare le reazioni vincolari, necessarie
per il calcolo dei supporti
– Calcolare la distribuzione delle sollecitazioni
necessarie per la valutazione degli sforzi
massimi presenti nel materiale.
Costruzione di Macchine 54
Dimensionamento preliminare
• Il dimensionamento preliminare dell’albero si esegue in modo approssimato.
• Considerando la sezione minima che trasmette il momento torcente, la resistenza del materiale sarà sfruttata per la presenza della torsione e per la presenza delle altre sollecitazioni (flessione, forza normale, ecc.) nonché per l’effetto della concentrazione delle tensioni.
• A questo stadio del progetto gli ultimi due contributi non possono ancora essere valutati numericamente e pertanto appare inevitabile trascurarli.
Costruzione di Macchine 55
Dimensionamento preliminare
• L’unica strada è quella già percorsa per il calcolo degli assi cioè ridurre il valore della resistenza di confronto del materiale e trascurare i contributi incogniti.
• Nei calcoli pratici si è soliti assumere un valore di 0 = 2070 Mpa, a seconda del tipo di materiale usato per realizzare l’albero e dell’importanza dei contributi trascurati.
• In definitiva il primo dimensionamento della sezione minima dell’albero sollecitata a torsione si esegue con la relazione:
3
0
16
tMd
Costruzione di Macchine 56
Verifica finale
• A questo punto, grazie al dimensionamento
degli elementi collegati all’albero, quali
cuscinetti, pulegge, volani, giunti, ecc., è
possibile eseguire un disegno dell’albero
corredato di tutte le dimensioni.
• Tale configurazione sarà sottoposta a verifica di
resistenza individuando, grazie all’andamento
delle sollecitazioni agenti e delle sezioni
reagenti, le zone critiche in quanto più
sollecitate.
Costruzione di Macchine 57
Verifica finale
• A proposito di queste ultime si devono sottolineare alcuni aspetti particolari: – Le sezioni da verificare sono di solito scelte in
corrispondenza di concentrazioni di tensione. Lo stato tensionale massimo agisce spesso su un piano a priori incognito per effetto della sovrapposizione di forze non appartenenti allo stesso piano.
– E’ indispensabile analizzare la struttura su due piani perpendicolari, salvo poi determinare la risultante vettoriale delle sollecitazioni agenti.
– Lo stato tensionale è sempre complesso per cui è indispensabile calcolare una tensione totale equivalente mediante un’adeguata ipotesi di resistenza.
Costruzione di Macchine 58
Organi calettati
• Uno dei passi fondamentali per il progetto a resistenza degli alberi è la valutazione delle forze trasmesse dagli organi calettati.
• Nei calcoli che verranno eseguiti si usa l’ipotesi conservativa di trascurare i rendimenti.
• Gli elementi che vengono solitamente considerati sono: – Pulegge per trasmissioni ad attrito
– Ruote per catene
– Ruote dentate
– Volani
– Giunti
Costruzione di Macchine 59
Trasmissione a cinghie
Costruzione di Macchine 60
Pulegge per trasmissioni ad attrito
• Le pulegge per la trasmissione di potenza mediante attrito vengono utilizzate quando l’elemento che consente il trasferimento è un flessibile reale, costituito da una cinghia piatta o trapezoidale o da una fune.
T
t
b
b w1
a
w2
2)(
pdtT
W
w
afeqvt
qvT
2
2
v = w .(dP /2)
Costruzione di Macchine 61
Pulegge per trasmissioni ad attrito
• Le due forze T e t provocano flessione su due piani ortogonali. Scegliendo tali piani secondo gli assi x e y rispettivamente coincidente con la congiungente i centri di rotazione e perpendicolare ad essa, si ottiene:
)sen()(
)cos()(
b
b
tTF
tTF
y
x
22
ab
Costruzione di Macchine 62
Trasmissioni per catena
Costruzione di Macchine 63
Ruota dentata con catena
• In una trasmissione per catena si può supporre che la trazione sul ramo lento sia nulla e pertanto
pd
WT
w
2
22
)(2
)cos(2
ab
bw
bw
send
WF
d
WF
p
y
p
x
Costruzione di Macchine 64
Volani
• I volani sollecitano l’albero, oltre che con il peso, che, per la specifica funzione, non è trascurabile, con i momenti delle forze di inerzia durante i transitori. Detta dw/dt l’accelerazione angolare ed IP il momento d’inerzia di massa, si ha
dt
dIM pt
w
dt
db
dM t
w
32
4
Costruzione di Macchine 65
Giunti
w
WM t
I giunti sollecitano
solitamente l’albero
applicando un
momento torcente
Costruzione di Macchine 66
Ruote dentate
• Le ruote dentate sono l’elemento più
frequentemente usato per la trasmissione
di potenza tra alberi.
• La trasmissione avviene per il contatto di
profili coniugati
• Le forze trasmesse dipendono dalle
dimensioni e dalla tipologia delle ruote
(elicoidali, coniche, sghembe, ecc.)
Costruzione di Macchine 67
Ruote dentate
Costruzione di Macchine 68
Ruote dentate
)tan(2
)cos(
)tan(2
2
a
a
p
ta
n
p
t
r
p
t
t
d
MF
d
MF
d
MF
w
WM t
)tan(atf MM
Fr
Fa
Ft
Ruote elicoidali per assi paralleli
Costruzione di Macchine 69
Ruote dentate
)cos()tan(2
2
m
tr
m
tt
d
MF
d
MF
)sen()tan(
)sen()tan(2
tf
m
t
a
MM
d
MF
Ruote coniche a denti dritti
Costruzione di Macchine 70
Ruote Coniche a denti elicoidali
dove il segno dipende dal confronto tra il verso di rotazione e quello di
inclinazione della direttrice: se concorde si usa +, se discorde si usa -.
)cos()tan()cos(
)()tan(
)cos()tan()cos(
)()tan(
2 ;)()tan(
)cos(
)cos()tan(
2
2
bb
bb
b
b
senMM
sen
d
MFsen
d
MF
d
MF
tf
m
ta
m
tr
m
tt
Costruzione di Macchine 71
Calcolo a deformazione In tutti i casi fin qui esaminati, gli elementi quali perni, assi e
alberi, sono stati analizzati dal punto di vista della resistenza.
Esistono invece alcune condizioni in cui non è il calcolo a
resistenza quello che fornisce la condizione più limitante per il
dimensionamento.
Infatti può verificarsi che gli elementi calettati sugli alberi
impongano di limitare la freccia sotto carico per evitare, ad
esempio, un errato accoppiamento; ancora, è spesso necessario
limitare la rotazione in corrispondenza dei cuscinetti che
costituiscono i supporti per evitare un funzionamento non
corretto.
In tutti questi casi si deve calcolare la deformata della trave,
associata all’elemento come schema statico, sotto l’azione dei
carichi agenti nelle diverse condizioni di funzionamento.
Costruzione di Macchine 72
Calcolo a deformazione
• In questi casi è necessario stabilire prima quali siano i valori ammissibili delle deformazioni, in analogia a quanto fatto per i valori ammissibili degli sforzi
Tipo l=f/L
Grossolano 1/1000
Comune 1/2000
Riduttori 1/3000
Macchine utensili 1/5000
Tipo f
Cuscinetti corti 1/500
Cuscinetti lunghi 1/1000
Macchine utensili 1/2000
Valori limite delle frecce Valori limite delle rotazioni
Costruzione di Macchine 73
Calcolo a deformazione
• Per quanto riguarda le modalità di calcolo è possibile
applicare la relazione fondamentale della teoria della
trave che, integrata due volte, consente di calcolare la
f(x), andamento delle rotazioni, e la w(x), andamento
delle frecce.
• L’integrazione può essere perfezionata calcolando le
costanti di integrazione sulla base delle condizioni al
contorno, rappresentate dalle condizioni di vincolo.
)(2
2
xMdx
wdEI
Per travi tozze è necessario tenere conto del contributo della deformabilità a taglio
Costruzione di Macchine 74
Calcolo a deformazione
• È chiaro che il calcolo espresso dall’integrazione dell’equazione fondamentale della trave è sempre teoricamente significativo, ma diventa rapidamente complesso quando l’albero è sollecitato da più di un carico o quando è formato da tratti di dimensione diversa. Infatti il valore di I varia per ciascun tratto e quindi è necessario spezzare l’integrazione in più parti. Ciò complica la determinazione delle costanti di integrazione ed impone la necessità di scrivere le equazioni di continuità ad ogni estremo dei tronchi omogenei.
• In queste condizioni l’unica via percorribile è il calcolo numerico.
Costruzione di Macchine 75
Calcolo dinamico di assi e alberi
• Il problema del progetto di assi ed alberi è stato fin qui esaminato come un problema statico, cioè senza effetti dinamici conseguenti al moto di rotazione o alla variazione nel tempo dei carichi esterni.
• È’ ben noto invece che fenomeni di amplificazione dinamica si verificano con grande frequenza come conseguenza da un lato della variabilità delle condizioni di carico e dall’altro dell’elasticità del sistema strutturale costituito dall’albero (o dall’asse), dagli organi calettati o collegati e dai supporti. Tali fenomeni possono portare, qualora non adeguatamente previsti, alla rottura del sistema e pertanto devono essere approfonditamente studiati per poter eseguire in modo completo ed affidabile il progetto.
Costruzione di Macchine 76
Calcolo dinamico di assi e alberi
• Il primo passo dell’analisi del comportamento dinamico di assi e alberi è il calcolo della frequenza propria per accertare l’assenza di fenomeni di risonanza.
• Questi ultimi avvengono infatti quando la frequenza dell’eccitazione esterna è coincidente o prossima alla frequenza propria del sistema
Costruzione di Macchine 77
Calcolo dinamico di assi e alberi
• Per poter valutare il
comportamento di
sistemi complessi è
necessario usare dei
modelli.
• Il più semplice
modello per l’analisi
dinamica è quello
detto a 1 Grado di
Libertà
m
c k
F(t)
x(t)
)(tFkxxcxm
m
kn w
Tf nn
1
2
w
Costruzione di Macchine 78
Calcolo dinamico di assi e alberi
• La risonanza deve essere evitata perché in corrispondenza ad essa si verificano amplificazioni inaccettabili
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
2
4
6
8
10
I H
(w)
Iww
0
Elemento Forzante
Motore elettrico kwR k = 1,2,3
Ruota dentata ( Z = numero
di denti)
kZwR k = 1,2,3
Elica (Z = numero di pale) kZwR k = 1,2
Alternatori (wel pulsazione
elettrica)
2wel
M. C. I. (Z = numero cilindri) kwRZ k=1,2,3,4
wn* = wn (1 - 2)0.5
= c/ccrit
kMccr 2
Costruzione di Macchine 79
Calcolo dinamico di assi e alberi
• Per calcolare la frequenza propria del
sistema è necessario valutare la rigidezza k
ai bi
i
l
22
1
6
i
iba
lEIk
l
3
3
l
EIki