Scarica Problemi interdisciplinari e più Appunti in PDF di Progettazione Strutturale Meccanica solo su Docsity!
Giunto a manicotto.
E' fornito uno schizzo indicativo di un giunto a gusci (dei quali, in figura, ne é rappresentato uno solo) con viti, destinato a trasmettere il momento torcente dall’albero motore, cha riceve il moto da una turbina rotante a 20.000 giri/min., all’albero che serve l’utenza. Il diametro degli alberi é 80 mm., e la tensione di taglio massima ammissibile per il materiale é τamm = 100 MPa. Si richiedono:
- la valutazione della massima potenza trasmissibile;
- il dimensionamento dei gusci e delle viti di collegamento;
- i dettagli costruttivi e le modalità di realizzazione del giunto.
Sommaria schematizzazione del giunto a manicotto.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE Le viti sono da dimensionare a trazione: esse devono garantire il pre-carico in grado di evitare, grazie all’attrito, lo scorrimento tra le superfici dei gusci e quelle dei due alberi.
Cartello per segnalazioni.
In figura è rappresentato un cartello segnaletico stradale con disposizione “a bandiera”. Il peso del cartello ed il carico esercitato dall’azione del vento sono indicati in figura. Si traccino le caratteristiche di sollecitazione per la colonna che supporta il cartello. Si individui la sezione maggiormente sollecitata e si dimensioni la colonna scegliendo per essa una sezione cava.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
La verifica della sezione della colonna può prescindere (cautelativamente) dalle squadrette poste alla base.
Carroponte monotrave.
In figura è dato il disegno schematico di un carroponte monotrave. Dovranno essere evidenziate le principali soluzioni costruttive ed i materiali impiegati per i componenti strutturali. Si tenga presente che il carrello, montato sulla trave ed ancorata da rulli simmetrici, utilizza una fune con gancio montacarichi laterale, il comporta un disassamento non trascurabile delle forze applicate alla trave stessa. Per la taglia del carroponte potranno essere assunti i seguenti dati indicativi, che comunque il candidato ha facoltà di variare:
- Portata: 1 tonnellata
- Sc = 10 m , scartamento
- S = 1800 mm, scartamento testate E’ richiesto di impostare il progetto di massima, motivando le scelte privilegiate.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
Fra gli elementi da discutere, occorre, in questo caso, includere la torsione della monotrave.
Piattaforma telescopica.
E’ riportata l’immagine di una gru telescopica per automezzo, dotata all'estremità di piattaforma aerea, per ospitare carichi e/o persone. Si faccia riferimento allo schema esemplificativo indicato, in cui la forza F è disposta nella piattaforma nella posizione meno favorevole. Tra D e G è posto un martinetto idraulico che lavora come puntone. Sia CB perpendicolare a CE ed AB orizzontale. Dati (valori in N e mm): angolo di CE rispetto all'orizzontale = 35° angolo di DG rispetto all'orizzontale = 75° CE = 7000; CB = 1800; AB = 1500; DE = 2000; AH = 3000; F = 5000 Si richiede di:
- calcolare le reazioni in G ed E
- tracciare i diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione per il tratto CB
- tracciare i diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione per il tratto CE
- tracciare i diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione per il tratto DG
- dimensionare il braccio CE (scelta del materiale e della sezione)
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE. Fra gli elementi da discutere, occorre, in questo caso, includere la torsione del braccio telescopico.^ F
Argano manuale.
Determinare le componenti delle reazioni vincolari in A ed in B per la manovella mostrata in figura. Tracciare le caratteristiche di sollecitazione: per l’albero (tratto AC) e sceglierne la sezione; per la manovella di raggio h fino alla impugnatura (punto a distanza h ). Dati: a = 400 mm; b = 340 mm; c = 150 mm; h = 140 mm; r = 60 mm; P = 200 N.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
Come indicato, può essere scelta una sezione circolare. In A, è conveniente sia posto un reggispinta. La valutazione delle tensioni equipericolose non crea problemi, avendo l’albero sezione circolare (piena).
Sospensione a barra di torsione e balestra.
In figura è schematizzata una sospensione per veicoli. Il punto A è al centro del tratto HK, i punti H, K, J e L sono fissi a telaio, l’elemento CDE è struttura rigida, incernierata in C e D; B è cerniera, che completa il parallelogramma ABCD. Dati (lunghezze in mm): a = 400, b = 250, c = 100, d = 180; forza F = 4000 N; carico P = 1500 N. Si traccino le caratteristiche di sollecitazione per i diversi elementi e si effettui il loro dimensionamento scegliendo il materiale, con il vincolo aggiuntivo che la barra di torsione HK debba garantire uno spostamento del punto C pari a 40 mm. Si dimensionino i perni.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
Alla corsa contribuiscono la barra di torsione HK e la mensola AC. Gli altri elementi servono a fissare la geometria e le modalità del carico. La barra di torsione contribuisce con due elasticità torsionali in parallelo; la mensola contribuisce, in serie, con elasticità flessionale. Il contributo della barra è assegnato: è, quindi, sufficiente partire con il dimensionare questa (a fatica), per passare successivamente alla balestra (assicurando un’extracorsa idoneo).
Scontro oscillante.
Il braccio B, mostrato in figura, é incernierato in A e, all’altra estremità, supporta la ruota folle R. Essa si muove fra la posizione orizzontale (I) e la posizione (II) appoggiandosi alla tavola T. La ruota deve esercitare (nei confronti della tavola) la forza F 1 = 1000 N per la posizione (I) e F 2 = 7000 N per la (II). Si richiede, scelto del materiale, di:
- tracciare le CDS per la leva B nelle due posizioni estreme ed individuare la sezione maggiormente sollecitata;
- dimensionare la leva B;
- determinare diametro e lunghezza della barra di torsione coassiale alla cerniera A, atta a generare i detti carichi.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE
Per dimensionare la barra di torsione, occorre sia tenuto conto della flessione della leva.
Morsetto a vite.
Il dispositivo di fissaggio illustrato in figura consiste di una vite di manovra che spinge una ganascia contro il pezzo da bloccare (lato sinistro) e contro un perno di contrasto (a destra). La larghezza della ganascia è pari a 40 mm. Nella posizione indicata la molla deve esercitare una spinta verso l’alto pari a 300 N. Si voglia poter esercitare una forza sul pezzo di 2500 N. Si dimensionino, scegliendo il materiale, la ganascia, la vite, la molla ed il perno e si calcoli la coppia da applicare alla vite.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
Per il calcolo, occorre ipotizzare il valore dei coefficienti d’attrito. L’inclinazione della vite deve assicurare la non reversibilità.
Lama taglia-erba.
Per poter smontare la lama di un tosaerba ( Fig. 1 ), occorre svitare il dado C che si impegna sulla filettatura dell’albero che trasmette il moto. Affinché la lama rimanga ferma quando alla chiave è applicata la forza B, si utilizza un attrezzo: la traversa abbassa (freccia f ) la lama, grazie alla guida sul bordo, per coadiuvare il blocco ed agevolare il distacco; gli appoggi P, Q e R impediscono la rotazione quando sul manico è esercitata la forza Ft, trasmessa alla lama (rappresentata sezionata in Fig. 2 ), insieme alla Fv, richiesta dall’abbassamento. Dati: a = 250 mm, c = 400 mm, b = 320 mm, e = 20 mm, f = 10 mm, B = 40 N, β = 74°, α = 80° Si determini il momento torcente applicato al dado C e la forza Ft necessaria a contrastare la forza B. Si traccino i diagrammi di sollecitazione per la lama e si individuino gli spessori s e w che ne garantiscono la resistenza, scegliendo il materiale.
Fig. 1 - Vista dal basso (vano lama) Fig. 2 - Sezione longitudinale della lama
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE. La lama presenta zone periferiche sottili ed affilate. L’attrezzo di bloccaggio opera ad una distanza non più interessata dal tagliente. Al fine del dimensionamento, va tenuto conto che la flessione avviene in due piani (e che all’incastro, la sezione presenta un foro, in prossimità dell’asse neutro).
Urto blocca-mola.
In figura è mostrata schematicamente una mola, costituita da due ruote abrasive alle estremità ed una puleggia scanalata al centro dell’albero. Mentre ruota ad una velocità di 2400 rotazioni al minuto, la ruota piccola è urtata accidentalmente e si arresta istantaneamente. Dati: albero di acciaio (G = 79 GPa), densità delle ruote abrasive: ρ = 2000 kg/m^3. Determinare: la tensione massima nell’albero e l’angolo di torsione tra le estremità dell’albero.
Figura 1 Analisi dell’impatto torsionale su un albero di una mola.
Assunzioni: Massa dell’albero e della puleggia trascurabile. L’albero agisce come una molla torsionale e risponde elasticamente all’impatto. Sono trascurate le torsioni entro le ruote (considerandole dischi rigidi). Analisi:
- L’energia cinetica posseduta dalla ruota di diametro 120 mm viene immagazzinata dall’albero:
I^2 2
1 U = ω ,^ ove:^ mrwheel^2 2
I = 1 ,e^ m^ =^ πrwheel^2 tρ.
quindi: U = π rwheel^4 t ρω^2
( ) ( )( )
- 72 N m s
kg m U 25. 72
U
2
2
2 4
× π = π .
- Considerando che (T=coppia impulsiva):
2
2 2 2
2 2
2
Tr J ; T J r TL rG 1 T U 2 T L 2U GJ J L 2U r GJ J A r / 2
A r / 2 L 2Ur G V AL
V 4UG
τ τ = =
θ =
θ =
τ
= ⋅
⋅ ⋅ τ =
τ =
Intermittore.
In figura sono mostrate due viste schematiche di un “intermittore”, ossia di un dispositivo che ha lo scopo di trasferire un elemento, rappresentato come massa puntiforme m , dalla posizione indicata a quella diametralmente opposta tramite rotazione attorno al perno P. Il movimento (con partenza da fermo ed arrivo a velocità nulla) deve essere compiuto in 1 secondo con accelerazione (e decelerazione) angolare costante. Dopo aver calcolato il valore dell’accelerazione e la potenza richiesta all’albero P, si determini lo spessore della leva affinché non si riscontri, in alcun punto, una freccia superiore ad 1 mm e si dimensioni l’albero P indicandone la modalità di montaggio sulla leva. Dati: m = 25 kg; c = 300 mm; h = 80 mm; H = 180 mm; b = 750 mm;
m
b
H h
P
c
s
gravità
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE.
Inizialmente, la massa m è concentrata all’estremo del braccio b. Completato il dimensionamento, è possibile ricavare il momento quadratico di massa del supporto, le prestazioni richieste sono verificate con condizioni costruttive realistiche.
Manovella d’estremità.
Si abbia la manovella in figura (dimensioni in mm.), incastrata all’estremo A e caricata all’estremità libera D con una forza F = 200 N normale al piano che contiene la manovella stessa. Supponendo di realizzare i diversi tratti a sezione circolare, si determinino:
- le caratteristiche di sollecitazione nei tre elementi
- la sezione maggiormente sollecitata
- il diametro minimo necessario, adottando un acciaio con σsn = 360 MPa.
120°
A B
C D
F
50
60
30
120° Vista dall'alto
F
· Schema della manovella e vista dall’alto.
IPOTESI DI SOLUZIONE
a ) Calcolo delle caratteristiche di sollecitazione. Tratto DC. Se si immagina di isolare l’elemento DC dalla struttura, esso può essere assimilato ad una mensola con carico all’estremo, per cui i diagrammi per le caratteristiche di sollecitazione sono, come noto, quelli indicati in Fig. 1. Tratto BC. Si suppone di traslare la forza F nel punto E, ideale prolungamento di BC (Fig. 2 ). Si ha: CE = CD cos(60°) = 15 mm; DE = CD sen(60°) = 26 mm; BE = BC+CE = 75 mm. La traslazione fa nascere un momento torcente ME = -F · (DE) = -5196 Nmm.
D C
D C M (^) f
T -200 N
-6000 Nmm
N = 0 ; M (^) t = 0
Fig. 1 · Diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione nel tratto DC.
B A
M (^) f
T -200 N
-22000 Nmm
M (^) t
-12000 Nmm
10392 Nmm
N = 0
B A
B A
Fig. 5. · Diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione nel tratto BA.
b ) Sezione maggiormente sollecitata. Dall’osservazione dei diagrammi si deduce che la sezione maggiormente sollecitata é quella in corrispondenza del punto di incastro A. Infatti, in essa sono massimi sia il momento flettente sia quello torcente.
c ) Verifica della sezione. Il raggio della sezione circolare dovrà essere scelto in modo che in nessuna zona si abbia a superare la tensione ammissibile. Adottando come ipotesi di cedimento quella del "taglio massimo", la disequazione di progetto é:
σ^2 + 4 τ^2 ≤ σamm
Scegliendo un fattore di sicurezza globale m=2 e adottando come parametro di resistenza il carico di snervamento, la tensione ammissibile risulta essere:
σamm =
σsn 2
= 180MPa
Le tensioni massime normale e tangenziale, avendo indicato con Wf e W (^) t il modulo di resistenza a flessione e a torsione, sono:
σ =
M (^) fA Wf
; (^) τ =
M (^) tA W (^) t
e, numericamente:
2200 πd 3 32
2
10392 πd 3 16
2 ≤ 180 MPa
risulta che il raggio minimo che soddisfa i criteri di resistenza è r =6 mm.
Chiave snodata di serraggio.
Per bloccare l’elemento con testa a cava esagonale V (non necessariamente unificata), è richiesto un momento torcente Mt = 15 Nm. Dati: a = 40 mm, b = 250 mm, c = 100 mm, θ = 65° (inclinazione rispetto all’asse dell’elemento da svitare). Si determini il piano, comprendente asse della chiave e direzione del braccio dell’operatore, che contenga la forza P minima da applicare per generare Mt. Si assuma che, rimanendo in tale piano, il braccio dell’operatore formi l’angolo α = ± 15° rispetto alla normale allo stelo b della chiave. Lo studio sia ripetuto imponendo la rotazione β = ± 15° attorno allo stelo b della chiave. Per il caso più gravoso fra quelli analizzati, si traccino i diagrammi di sollecitazione per i tratti di chiave coassiale, ortogonale ed obliquo, rispetto all’elemento da svitare. Si individui la sezione maggiormente sollecitata dell’elemento di altezza c e lo si dimensioni, scegliendo il materiale.
Chiave di serraggio orientabile per elementi con testa a cava esagonale.
TRACCIA ALLA RISOLUZIONE. Nelle analisi, occorre evidenziare il ‘rischio’ di sfilamento della chiave. Per l’equilibrio, la chiave è supposta incastrata all’elemento di altezza c , oltre lo snodo. Il ‘rischio’ di sfilamento è dato dalla direzione della reazione rispetto all’elemento da svitare.
