ITI OMAR Dipartimento di Meccanica ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE Indirizzo: Meccanica Tema di: MECCANICA APPLICATA E AMCCHINE A FLUIDO Lo schema riportato in figura rappresenta un motore elettrico che eroga una potenza nominale di 20 kW ad un regime di 750 giri al minuto e, attraverso un giunto rigido G, la trasmette ad un treno di quattro ruote dentate a denti diritti. L’ultima ruota è solidale ad un verricello A con un tamburo di diametro d = 30 cm. Il rendimento complessivo della catena cinematica rappresentata è η == 0.87 e la velocità media di sollevamento del carico è pari a 1.35 m/s. Il candidato, fissato con motivati criteri ogni altro elemento eventualmente mancante, esegua: • • • il dimensionamento completo del giunto rigido G ed uno schizzo quotato dello stesso; il calcolo del carico massimo Q sollevabile; il calcolo del modulo di entrambe le coppie di ruote dentate. 4 A 1 G Q 3 2 1 ITI OMAR Dipartimento di Meccanica Determinazione del carico massimo sollevabile Il rendimento η me del motore elettrico può essere posto pari a 0.87. Rendimento (%) dei motori asincroni trifase a pieno carico Potenza (kW) 0.25 1 2.5 70 75 80 La potenza trasferita al verricello vale pertanto: 10 85 25 89 100 91 250 93 1000 95 2500 96 N v = N n ⋅ηme ⋅η ≅ 15 kW Il carico massimo sollevabile Q, indicata con v la velocità media di sollevamento, vale pertanto: Q= N 15 ⋅1000 ≅ ≅ 11111 N v 1.35 Scelta e verifica del giunto Scelta a catalogo A favore della stabilità si assume: 1. rendimento del motore elettrico pari a 1 2. fattore di amplificazione del momento pari a 1.2 Il momento di calcolo del giunto risulta, sotto le precedenti assunzioni, pari a: M tc = 1.2 ⋅ N ≅ 306 Nm ( 2π n 60 ) Si sceglie un giunto avente le caratteristiche di seguito riportate1: Caratteristiche del giunto D 140 D1 70 L 121 L1 60 s 1 l1 28 l 40 dv M10x1.25 n. viti 4 Verifica delle viti 2 Il diametro medio della corona di contatto può essere posto, in prima approssimazione, pari a: Dm = D + D1 ≅ 105 mm 2 Posto un coefficiente d’attrito f tra le superficie delle flange a contatto pari 0.3, la forza normale che deve essere esercitata da ciascuna vite vale: nv ⋅ F Dm 2M tc f = M tc → F = ≅ 4857 N 2 nv ⋅ Dm ⋅ f Il gambo della vite è soggetto a un momento torcente che può essere posto, in prima approssimazione, pari a: M tv ≅ 0.1⋅ F ⋅ d v ≅ 0.1⋅ 4857 ⋅10 ≅ 4857 Nmm La tensione di trazione sul fusto della vite, con un errore trascurabile, può essere posta pari a: σ tv ≅ 4F ≅ 62 N/mm 2 2 π dv 1 Come ulteriore controllo si potrebbe verificare se i diametri degli alberi accoppiati tramite il giunto hanno un valore compatibile ossia inferiore al diametro max ricavabile dalla tabella allegata ( d max = 40 mm ). Ipotizzando di realizzare i suddetti semialberi in acciaio C40 bonificato, i rispettivi diametri si possono ricavare, in prima approssimazione, tramite l’equazione di stabilità alla torsione facendo affidamento su di una tensione massima ammissibile a torsione pari a 30-60 N/mm2. Con tali assunzioni i diametri degli alberi risultano pari a: 16 ⋅ M t d≅ ≅ 32 mm I diametri risultano pertanto compatibili con le caratteristiche del giunto scelto (32<40). π ⋅ 50 2 In una verifica di massima delle viti è lecito assumere che i diametri delle sezioni resistenti, sia a trazione sia a torsione, siano pari ai diametri nominali delle viti stesse. 2 ITI OMAR Dipartimento di Meccanica 3 ITI OMAR Dipartimento di Meccanica La tensione di torsione sul fusto della vite, con un errore trascurabile, può essere posta pari a: τv ≅ 16 ⋅ M tv ≅ 25 N/mm 2 π ⋅ d v2 La tensione ideale vale, secondo l’ipotesi di von Mises: σ id = σ tv2 + 3τ v2 ≅ 76 N/mm 2 Assumendo che le viti siano realizzate in un acciaio per bulloneria 8.8 il coefficiente di sicurezza, rispetto al carico unitario di snervamento3, vale: ζ ≅ 640 ≅ 8.4 76 Il valore del coefficiente di sicurezza risulta pienamente accettabile. Calcolo del modulo degli ingranaggi Assunzioni 1. ore di funzionamento del dispositivo 100 h (uso poco frequente); 2. gli ingranaggi siano entrambi realizzati in acciaio C40 bonificato. Preliminarmente occorre fissare i rapporti di trasmissione degli ingranaggi formanti la catena cinematica. Si calcola la frequenza di rotazione del tamburo. nt = 60 ⋅ v ≅ 86 rpm 2π ⋅ ( d t 2 ) Il rapporto di trasmissione totale della catena cinematica vale: ψt = 750 ≅ 8.73 86 Ogni ingranaggio ha un rapporto di trasmissione pari a: ψ = 8.73 ≅ 2.95 Si fissa a 18 il numero di denti dei pignoni. Il numero di denti delle ruote risultano di conseguenza zc = 18 ⋅ 2.95 = 53 Calcolo dell’ingranaggio costituito dalle ruote 1 e 2 A favore della stabilità si pongono pari all’unità sia il rendimento del motore elettrico, sia il rendimento della trasmissione. La determinazione del modulo minimo sarà condotto in due step. 1. calcolo a flessione 2. verifica a pressione Calcolo del modulo a flessione4 Mt 1 3 m≥ 3 0.23z1 − 1.42 ξλσ amm ξ= A A+v A= ( 3-15m/s ) con v velocità periferica (m/s) misurata in corrispondenza del punto di contatto ideale delle primitive e λ il rapporto tra la larghezza della ruota e il modulo. Posto: σ amm = 135 N/mm 2 A=10 m/s λ =15 M t = 255 Nm Il modulo minimo è pari a 4 mm 3 Un acciaio per bulloneria 8.8 ha un carico unitario di rottura a trazione pari a σ R = 8 ⋅100 N/mm 2 e un carico unitario di snervamento pari a σ s = 8 ⋅ 8 ⋅10 = 640 N/mm 2 Nel calcolo flessione, nell’ipotesi che i entrambi i componenti dell’ingranaggio siano realizzati con lo stesso materiale, la verifica va condotta sul pignone (componente più sollecitato della coppia ingranante). 4 4 ITI OMAR Dipartimento di Meccanica Verifica a pressione m ≥ 0.69 3 K 2 M t1 ⎛ 1 1 ⎞ 9 ⎜ ± ⎟ nh HB 2 λ z1 ⎝ z1 z2 ⎠ acciaio/acciaio ⎧473 ⎪ ghisa/acciaio K = ⎨385 ⎪335 ghisa/ghisa ⎩ con HB indice di durezza Brinell, λ rapporto tra la larghezza della ruota e il modulo, n frequenza di rotazione in rpm e h durata in ore. Posto: z1 = 18 z2 = 53 HB=1850 h = 100 n =750 rpm Il modulo 4 mm risulta verificato Calcolo dell’ingranaggio costituito dalle ruote 3 e 4 Il pignone di questo ingranaggio ruota alla velocità di 255 rpm e trasmette un momento pari a 751 Nm Calcolo del modulo a flessione M t3 A 1 3 ξ= A= ( 3-15m/s ) m≥ 3 A+v 0.23 z3 − 1.42 ξλσ amm con v velocità periferica (m/s) misurata in corrispondenza del punto di contatto ideale delle primitive e λ il rapporto tra la larghezza della ruota e il modulo. Posto: σ amm = 135 N/mm 2 A=10 m/s λ =15 M t 3 = 751 Nm Il modulo minimo è pari a 6 mm Verifica a pressione m ≥ 0.69 3 K 2Mt3 ⎛ 1 1 ⎞ 9 ⎜ ± ⎟ nh HB 2 λ z3 ⎝ z3 z4 ⎠ acciaio/acciaio ⎧ 473 ⎪ ghisa/acciaio K = ⎨385 ⎪335 ghisa/ghisa ⎩ con HB indice di durezza Brinell, λ rapporto tra la larghezza della ruota e il modulo, n frequenza di rotazione in rpm e h durata in ore. Posto: z1 = 18 z2 = 53 HB=1850 h = 100 n =255 rpm Il modulo 6 mm risulta verificato 5