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[Costruzione Di Macchine - Juvinall] Fondamenti Di Progettazione Organi Di Macchine (876pg)

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FONDAMENTI DELLA

PROGETTAZIONE DEI

COMPONENTI DELLE

MACCHINE

Robert C. Juvinall

P~.ofessor

of

Mechanical Engineering

Universitu del Michigan

Kurt M. Marshek

Prqfessor

o f

Mechanical Engineering

(2)
(3)

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1 lap I:zusis!sa>l !p 3)iiap eloni eu11

5.5 I Z9P 19b 6SP CSb X PP si-b I PP l PP 8'1 1 L'l I 9'1 l CI 1 P'II f' l l 1'1 1 1'1 1 P6S P85 6LS X LS P LC 09s 90s $95 $'P1 L'P1 OP1 S'PI P'P l f'P1 Z'P l l'P1 !iI:il3l!j !)iin!Y !ap 1?3!11:j 1 : ~: ZL I~ )S !S ~J e1 aJe)uaLune ad !p o) an ~ l. 01 ![eiuaui!iads !ieilns!i ip o%a~diii! :I:n!iej I : !uollnq !ap oiuauieuo!suaru!a ~1 .0 1 aseq !p ~u o~ zo u 8ZP CZP 90P O OP Lht t6 I 06 t 6SI 08f 60f P9C tL)C

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(5)

I5 8 /\ii;ilisi dclla rcsistcrir;i dei dcriti: irictodo c«risigli;iii~

15.9 Resistenza supcrficialc dci dcriti - Concetti foiiciariiciii;ili

15. 10 /\n;ilisi dclla fritica s~ipcrficinlc dci dcnti: proccdirnciiio

racconiandato

15.1 1 Procedure per il progetto dcllc ruotc 21 denti dirirti

15.12 Materiali per le riioic 15.13 Rotisnri

I O 3 ~ ~ l i l g l l l c 1 r - ~ l ~ > ~ / , > l ~ l ; l l i

I O 4 ('iiigliic . i iIclili

19.5 (';iiciic ;i i-i1111

10.6 C;iicric ;i clcnii

19.7 si ori:^ delli, tr:i.;iiiis\inrii idri~diii;iiiiiclic 10.8 ( ì l ~ l l l t l l ~ i r - ~ l I l l l ~ ~ l

9 9 Coii\~eriitoii cli ci)ppi;i idi-iidiii:iiiiici

Capitolo 16. Ruote dentate clicoidali, coniche ed a vitc ('ril~tolo 20. Iiiter:irioni l i ; i coriipoiiciiti di iii;iccliiri;i - St~itiio di uri c;iso

16.1 Introduzione

6 . 2 Terminologia e geometria dcllc ruote elicoidali 16.3 Analisi delle forze nelle ruote a denti elicoidali

16.4 Flessione dei denti di ruote elicoidali e rcsistcnza all'usura 16.5 Ruote elicoidali a d assi sgtienihi

l . Terminologia C geonictria dcllc ruote coniche

16.7 Analisi delle forze nelle ruote conictie

16.8 Flessione dei denti di ruote coniche e resistcnra alla fatica superficiale

16.9 Rotismi epicicloidali con ruote coniche: differenziale

16.10 Ingranaggio vite senza fine-ruota elicoidalc: geonietria e dcfini/.ioiii 16.11 Analisi delle forze e rendimento di un ingranaggio a vite

16.12 Flessione nelle ruote a vite e resistenza alla fatica ziipcrfici:ilc 16.13 Capacità termica dei rotismi a vite

20.1 Iiitrnd~izionc

20.2 Ilc.;cririi-inc dell:i tr;isniissioric origin:ilc lfyJr,i-Matic 20.3 1lctcrriiiri;izionc dei rapporti di ir;isriiissic-iric c clci carichi

siii coiiipnncnti

20.4 Considerazioni siil progetto dcgli ingi;rii;iggi

20.5 Considerazioni sul progctto dcllc I'ri~ioiii C tlci ficrii

20.6 Considerarinni varie stil piogetti, Appciidicc A . Unità

A I ; i Fattori di corivci-sioric per- IJiiii.ì (~;r:ivit:i/i~iri:ilc hritaiinico

I11glcsc C SI

,\-l b Fattori di convcrsioiic clcnc:irr in b;isc allc cl~iniitità fisichc A - ~ ; I Prcfissi standarci SI

i\-2h I l n i i i c sinilmli SI

A-3 Prefissi SI ciinsigli;iti nei calcoli dcllc teiisioiii

A-4 Prefissi SI con\igli:iti nci calcoli dcgli spostaniei~ti

A-5 Prcfi.;si SI cnn\igli:iti iici crilcoli dellc ioi;i/iorii

Capitolo 17. Assi e alberi

-

17.1 Introduzione

17.2 Disposizioni per i cuscinetti degli alberi 17.3 Montaggio di componenti siigli alberi rotanti 17.4 Dinamica degli alberi rotanti

17.5 Progettazione generale di un albero 17.6 Linguette, spine e profili scanalati 17.7 Giunti rigidi, elastici e cardanici

Appcndicc R Fropricti clcllc ~ c r i o i i i e dei solidi

13- I I'ropi-ictii Jcllc sczioni

H - 2 M3ss:i e nionicnti d'incrria di massa di solidi oniogcnei

Appcndicc C . Propricti c ~itilizrarionc dci rn;itcriali

Capitolo 18. Frizioni e freni C - l I'roprictà fisichc dci nictalli comuni

C-2 Propricti a trazione di alcuni maicriali rnctallici

C-3:i Proprietà meccaniche cd a p p l ~ c a / i o n i iipiclic dcll;i ghisa grigia

C-3b Propricti niccc;inichc cd applic;irioni tipiclic dclla ghisa mallcribiic

C-3c Proprieti meccaniche mcdic cd applic;i~iorii tipiclic dclla ghisa

cluttilc (sfcrnid;ilc)

C-4a I'roprictà nicccanichc di ;ilc~iiii acciai al carhoriio C legati

C-4b Applicazioni tipichc dcgli acciai 31 carhonio

C-Sa Proprietà di alcuni acciai al carbonio tcmpr;iti iri acqua e rinvenuti

C-5b Proprietà di alcuni acciai al carhonio tcniprati iri olio C rinvcriiiii

C-5c Proprietà di alcuni ;ìcciai Icg:iti tcniprati in oIi<i c rinven~iti

- 6 Ilffctto dcllc dimcnsiiini siill;i tcrisioiic di rcittura degli acci;ii - 7 Propricti nicccaniclie di alcuni acciai d,i ccnicrirarione

C - $ I'riipricti nicccaniclic di alcuni acciai iiiossid~ibili pcr I;i\or;i/ioric pl;ictica (Mcdic attcse apprnssini:itc)

' - 0 I'ri>pi ictii nieccaniclic di alciinc \upcrlcglic ;i ti.i\c. i11 ! i % r i o

18 1 Introduzione

18.2 Frizioni a disco 18.3 Freni a disco

18.4 Assorbimento di energia e raffrcddamcnto 18.5 Frizioni e freni a superfici coniche 18.6 Freni a tamburo a ceppo corto 18.7 Freni a tamburo a ceppo lungo esterno 18.8 Freni a tamburo a c e p p o lungo interno 18.9 Freni a nastro

18.10 Materiali

Capirolo 19. Componenti vari per trasmissioni di potcnza 19.1 Introduzione

(6)
(7)

'c~seiuej qle p 'ou;7aYu! o~ o1 lep apuadip !ioilY!ui uiueno -suia!po azuaY!sa al alcjs -!ppos la d uo!l5!ui a]uaues!3ap !uo!zn[os al~ np old !p ouos Issa !pii!riO 11 -npasa~d ouueq 11 aqs 1~au5a5u1 1[5np elnpassod cllanb !p cp uo jo ~d n~ d c~ua3souo3 eun ouopa~ssod a aiessed allanb ep es ~a ~! p? ia !3 os eun la d ! iio po ~d !p o dd nl! ~s o1 a oii a5 o~ d 11 a ie ~u oq ~e ouohap 1330 !~auàaSu! ~c!~au9a5u! eluapoui ellap olo ui~ is 0 1 a epgs e 1 e!zuap!Aa 1 s aq3 '!pu!rib 'oiund oisanb e aiuauies13a~d ,g .V!A !so3 a 'a[o~a3e!d n!d o ~p ds e un 'aiua]s!sa auo!znpoid !p e!%olou3ai e[[ap auo!zezz!l!in e3!uiouo3a p a3e3gja n!d cun 'aseq !p o]]a5o~d lap esou5a5u1 n!d auo!za3uo3 Eun 'e ~! ie la i e18olou3ai elp p e]e31is!jos nid ezua3souo3 cun o uo ii a~ u aq3iad alile allap uoi[S!ui a]uauie!,\.\o ouos aun3[e ',,aliai~o3,, iuo!znlos al el i 'aM .,,eie!l2eqs,, auotznlos eun eiwap!suos aJassa qnd ycnb allap eunssau '~ l~ qis so d !uo!znlos !p y]~ugu!,un ouos !A .esw ad o~ aj t~ o5 1~ j un a ~e il a5 o~ d !p cuialqold I! 'o!duiasa pe ' 11 -ap!suo3

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(8)

1.2 CONSII>I~RAZIONI 111 SICUREZZA

5

d~illa profonditi nella coniprcnsiorie delle cigerizc rel~itive, d;ill;i tcciiol~igr:i s ~ i c ~ i i

si basano le soluzioni, e così via

Questo libro tratta principalmente i l progetto di partic»l:iri ~ . ~ I I I / > O I I C I ~ I ~ clellc.

iiiacchine o dei sistemi meccanici. Una conoscenza di questi aspetti 6 foiidariieiii;i- Ic per la comprensione e la sintesi di iiiacchinc e sisterni coriipleti che sai-arino oggetto di altri insegnamenti o della pratica professionale. Si vedrà che ariche nel progetto di un singolo biillone o di una molla, l'ingegnere dcve usare la migliore competenza scientifica disponibile, insieme con I'inforniazionc ernpirica, i l b~ioii

senso e spesso un certo grado di irigegnosità, per progettare i1 prodotto migliore

per la società attuale.

Le considerazioni tecniche circa il progetto di un coiiipoiiciite iiieccaiiico sorio

largamente centrate su due aspetti: ( I ) le relazioni tensiorie-deforinazionc-resisten-

za che riguardano ii volume di un corpo solido e (2) i fenomeiii superficiali

comprendenti attrito, lubrificazione, usura e deterioramento prodotto dali'anibieii- te circostante. La prima parte del libro riguarda gli aspetti fondariientali, la secondii parte le applicazioni a particolari componenti meccanici. I cornponenti scelti sorio

ampiamente usati e sono già conosciuti dallo studente. Non è possibile riè

desiderabile che lo studente studi gli aspetti legati al progetto dettagliato di rurri gli

elementi delle macchine. Pertanto, nel trattare quelli scelti, si è cercato di focalizzare

l'attenzione sui meiodi e sulle procedure usate in modo che lo studente possa acquisire una competenza necessaria per applicare questi nietodi e procedure ai componenti meccanici in generale.

Quando l'ingegnere considera una macchina completa, invariabilmente trova che i requisiti ed i vincoli dei vari cornponenti sono tra loro interconnessi. Il progetto di una molla di una valvola di un motore per un'autoniobile, per esempio, dipende dallo spazio concesso alla molla. Questo, d'altra parte, rappresenta un compromesso con lo spazio necessario per l'apertura della valvola, i passaggi del fluido refrigerante, l'ingombro della candela e così via. Questa situazione aggiunge una dimensione completamente nuova all'immaginazione e all'ingegnositi richie- ste agli ingegneri quando essi cercano di determinare un progetto ottirriale con una combinazione di componenti interconnessi. Questo aspetto del progetto meccaiii-

co è illustrato da uno "studio di un caso tipico" nel capitolo finale del libro.

Oltre alle considerazioni tecniche ed economiche fondamentali per il progetto e lo sviluppo di componenti e sistemi meccanici, l'ingegnere moderno vieiie coinvolto sempre più in aspetti legati alla sicurezza, l'ecologia, e, più in generale, la "qualità della vita". Questi aspetti sono discussi brevemente nelle seguenti sezioni.

1.2

CONSIDERAZIONI DI SICUREZZA

E' naturale che, in passato, gli ingegneri abbiano rivolto la loro attenzione agli

aspetti funzionali ed economici delle nuove apparecchiature. Dopo tutto, se le apparecchiature non svolgono le loro funzioni correttamente, esse non risultano di particolare interesse per l'ingegnere. Inoltre, se una nuova apparecchiatura non può

essere prodotta ad un costo che è sostenibile dalla società contemporanea, una

perdita di tempo continuare a studiarla. Ma gli ingegneri che ci hanno preceduto sono riusciti a sviluppare una moltitudine di prodotti che funzionano con successo e che possono essere prodotti economicamente. In parte a causa di ciò, un serripre maggior sforzo ingegneristico sta per essere finalizzato a più ampie considerazioni circa l'influenza dei prodotti ingegrieristici sulle persone e sull'ambiente.

I,;i sicurezza pcrsoiinle è iiria considerazione che gli ingegneri hanno seriipre

:iviiio preseilte iiia clie ora richiede uir'enfasi maggiore. In confronto al c:rlcol»

r-cliiiiv:iiiierite 11reciso delle teiisioiii o degli spostanieriti.

5

probabile che la dcter-

ilirn;i~io~ie della sicurezza sia una materia elusiva e indefinita, complicata da

latiori psicologici e sociologici. Ma questo dovrebbe rappresentare una maggior attriittiva per un ingegnere. Ciò offre ad egli o ad essa la possibilità di considerare

t i i t t i gli aspetti pertinenti e di prendere delle buone decisioni sulla base della

corioscenza, dell'iinniaginazione, dell'ingegnosità e del buon senso.

I1 prirrio iiril~oi-tante passo per sviluppare una competenza ingegneristica nel cariipo della sicurezza consiste nel coltivare una consapevolezza della sua impor-

tanza. La sicurezza di un prodotto è di grande interesse per i legislatori, gli

avvocati, i giudici, i giurati, gli agenti delle assicurazioni e così via. Ma nessuno di loro può contribuire direttamente alla sicurezza di un prodotto; essi possono solo sottolineare l'urgenza di fornire un'adeguata enfasi alla sicurezza nello sviluppo

ingeg'nerisrico del prodotto. E' I ' ingegnere che deve sviluppare prodotti sicuri.

La sicurezza è eminentemente una materia che non si presta facilmente a

quantilicazioni ed un criterio di valutazione deve essere stabilito per effettuare un

coriiproinesso tra sicurezza, costo, peso e così via. Alcuni anni fa il primo autore fu

impiegaio in una ditta particolarmente attenta ai problemi della sicurezza e fu incaricato di stiriiolare I'ingegnere delegato alla sicurezza per ridurre ulteriormente gli inevitabili rischi associati con le apparecchiature della ditta. Un giorno, stimo- lato un po' troppo, questo ingegnere rispose: "Guarda, ho fatto questo modello tanto sicuro da essere «a provadi stupido» ("foolproof') ma non posso mai farlo «a prova di un vuiletleiro stupido». Se qualcuno ci prova veramente, può farsi male

anche con questa macchina!". Il giorno seguente questo individuo inavvertitainente

provò la verità di quanto aveva detto facendosi accidentalmente cadere i l nuovo

inodello sul piede e rompeiidosi un dito! Ma il punto da chiarire qui è che quando

una società prende decisioni circa i requisiti di sicurezza, gli ingegneri dovrebbero fornire un contributo importante.

Oltre alla consapevolezza dei rischio, il secondo punto principale della sicu-

rezza

5

l'ingeg~~osirà. L'ingegnere deve essere abbastanza fantasioso ed ingegnoso

per unricipare le situazioni, relative al prodotto, potenzialmente pericolose. La vecchia massima che ogni cosa che possa accadere prima o poi probabilmente

accadrà è iiiiportarite. Seguono quattro casi tutti implicanti onerose responsabilità.

l . Un grande locale con un alto soffitto doveva essere riscaldato e raffreddato

con tre unità a forma di cubo, ognuna sospesa al soffitto con lunghe barre d'acciaio poste ai quattro vertici. Entro queste unità venivano montati scambiaton di calore, soffianti e filtri da parte di operai che stavano sia dentro che sopra le apparecchia- ture. La flessibilità delle lunghe barre di sostegno permetteva a queste unità di oscillare avanti ed indietro e gli operai talvolta si divertivano a provocare delle oscillazioni di notevole ampiezza. La rottura per fatica di una barra di sostegno causò la morte di un operaio. Poichè grandi tubi di vapore (non ancora installati al tempo dell'incidente) impedivano una significativa oscillazione dell'apparecchia-

tura, uiia volta con~pletata, e le barre e r a 0 progettate con un fattore di sicurezza di

17 (basato sul peso statico delle apparecchiature completate). non era stato dato ulteriore importanza a questo problema di sicurezza. Nessun responsabile del progetto e dell'installazione delle unità aveva riesaminato la sequenza d'installa- zione con l'immaginazione e l'ingegnosità necessaria per prevedere questo perico- lo.

(9)

6

GENERALITA' SULLA PROGETTAZIONE MECCANICA

i freni della sua nuova bicicletta non fiinzionarono in un'eiiiergciiz;~. 1.;i cniiqii

risultò essere l'interferenza tra un coniponente del meccariisino del cniribio ;i ti-?

rapporti ed un bordo aguzzo sulla manopola di comando del freno. Sia i l inccc;ini- smo di comando del cambio sia la manopola del freno erano di progettaziorrc iioii convenzionale. Ambedue erano sicuri in sè ed erano sicuri se usati in conibiiiazio- ne con un progetto convenzionale dell'altro elemento. Ma quando questi diic elementi non convenzionali erano usati insieme. era lacile montarli sul rriniiiihri» in posizione tale che la corsa della manopola del freno fosse limitata e chc qiiindi fosse impedita la completa applicazione del freno. Di nuovo, nessun responsabile del progetto completo della bicicletta previde questa situazione pericolosa.

3. Un operaio perse una mano in una pressa da 400 t nonostante che indossas-

se guanti di sicurezza connessi ad un dispositivo azionato da un albero a carrimc, per allontanare le mani dalla zona pericolosa prima che il punzone si abbassasse. La causa fu una vite di fermo allentata che permise alla cammn di ruotare rispetto alla giusta posizione sull'albero, ritardando quindi l'allontanamento delle mani f i n

dopo l'abbassamento del punzone. Questo caso illustra il vcccliio detto "Una

catena non è più resistente del suo anello più debole". Qui, un dispositivo di

sicurezza, altrimenti molto efficace e resistente, fu annullato d a l i ' ~ ~ a n c l l o > ~ ingiustificabilmente debole della vite di fermo. Un po' di immaginazione e di ingegnosità da parte dell'ingegnere responsabile del progetto avrebbe evidenziato questo pericolo prima che l'apparecchiatura fosse immcssa in produzionc.

4. Un bimbo che si muoveva carponi perse le estremità di tre dita quairdo

cercò di salire su una "cyclette" su cui pedalava una sorella più grande. Quando pose la mano sul ramo inferiore della catena, essa fu immediat;imcnte trascinata verso il rocchetto. Per minimizzare il costo. la "cyclette" era stata progettata in modo da utilizzare alcune parti a basso costo, prodotte in grande serie, delle biciclette normali. Sfortunatamente, comunque, la protezione della catena, che

offre un'adeguata protezione per una bicicletta normale, è totalmente inadeguata

per una "cyclette" fissa per esercizi. Era troppo attendersi che l'ingegnere respon- sabile del progetto possedesse sufficiente immaginazione per prevedere questo pericolo? Non avrebbe dovuto avere sufficiente ingegno per individuare un progct- to alternativo di protezione che fosse economico ed anche realizzabilc? E' proprio necessario che questo tipo di immaginazione ed ingegnosità sia stimolato nell'in- gegnere da una legge concepita e stabilita da non ingegneri?

Una volta che l'ingegnere è sufficientemente consapevole delle questioni di

sicurezza e accetta questa sfida per la sua immaginazione ed ingegnosità, vi sono alcune tecniche e linee guida che sono spesso utili. Sei di queste sono suggerite qui di seguito.

1. Riesame del ciclo di vita totale del prodotto dalla produzionc iniziale allo smaltimento finale, con particolare attenzione alla ricerca dei rischi significativi. Chiedersi quale genere di situazioni possono ragionevolmente svilupparsi durante le varie fasi della produzione, del trasporto, dell'immagazzinamento, dell'installa- zione, dell'utilizzazione, del servizio, e così via.

2. Essere certi che le condizioni di sicurezza siano soddisfatte in niorio

bilanciaro. Non accettare la penalizzazione di 1000 lire per eliminare un rischio

trascurando la possibilità di eliminare un ugual rischio con un costo di 200 lire.

Come nel caso della pressa sopra presentato. non focalizzare l'attenzione siilla resistenza dei guanti di sicurezza trascurando la inadeguatezza del collegaincnto tra la camma e l'albero.

3. lioirlcrcl In sic-urezz11 un as{>rtto iritegr<~to del progetto di base, per quanto

possihilc, piiitt»sto che "aggiungere" dispositivi di sicurczza dopo che i l progetto

fondamentale ì. stato completato. Un eseinpio di ciò fu lo sviluppo di una pistola

rrianualc per verniciatura a spruzzo di tipo elettrostatico. I precedenti sistemi di

tipo elettrostatico montati su apparecchiature fisse avevano le teste per I'atoiriizzazione del metallo che operavano a 100.000 volts. Una versione manuale, incliidcnte elaboriiti dispositivi di sicurezza e schermi, fu subito considerata non idonea. Invece, fu sviluppato il progetto di un circuito elettrico completamente nuovo comprendente una testa non metallica in modo che. anche se I'operatore veniva in contatto con la testa ad alta tensione, esso od essa non subiva alcunrr scossa; la tensione automaticamente si abbassava appena una mano si avvicinava alla testa e la testa stessa aveva una sufficientemente bassa capacità elettrica per evitare una significativa scarica verso l'operatore.

4. Sviluppare un progetto sicuro in caso di guasti ('lfail-safe"), per quanto possibile. In questo caso la filosofia consiste nell'evitare le rotture ma, se una

rottura accade. fare si che il progetto sia tale che il prodotto è ancora sicuro; cioè,

quella rottiira non sarà catastrofica. Per esempio. i primi aerei commerciali a reazione furono i Comcts britannici. Alcuni di questi subirono rotture catastrofiche quando si manifestarono fessure per fatica sul rivestimento della fusoliera, in lega d'alluminio, ai vertici dei finestrini (rettangolari) a causa dalla sollecitazione dovuta alla pressurizzazione della cabina alle alte altezze ed alla depressurizzazione al suolo. Appena le fessure si manifestarono, i l rivestimento della fusoliera si strappò in modo catastrofico (all'incirca come un palloncino di gomma). Dopo che fu determinata la causa del disastro. le successive versioni commerciali degli aerei a reazione inclusero, quale dispositivo contro tale tipo di rotture, un più idoneo collegamento dei pannelli esterni ai correnti ed alle ordinate della fusoliera. In tal modo, una fessura può propagarsi solo fino al più vicino elemento di collegamen- to. Tali fessure, relativamente corte, non compromettono la sicurezza dell'aereo. (Questo particolare meccanismo "fail safe" può essere sperimentato strappando

una vecchia camicia. Una volta che lo strappo è iniziato, esso si propaga facilmen-

te fino ad una cucitura m a è estremamente difficile far propagare lo strappo oltre la cucitura, che rappresenta quindi un "ferma strappo"). Progetti sicuri in caso di guasti spesso includono componenti sovrabbondanti in modo che, se un compo-

nente che sostiene un carico si rompe. un secondo componente è in grado di

sostenere quel carico. Questa è talvolta indicata come filosofia di progetto "cin-

ghia più bretelle". (In casi estremi, una "spilla di sicurezza" potrebbe essere iisata come terzo componente).

5. Controllare le norme nazionali (quali OSHA e ANSI)* e la letteratura

tecnica pertinente per essere sicuri che i requisiti legali siano soddisfatti e che si

utilizzi la rilevante esperienza di altri nel campo della sicurezza.

6. Provvedere avvisi di tutti i rischi significativi che restano dopo che è stato

eseguito il progetto nel modo più sicuro possibile. Gli ingegneri che hanno svilup- pato il prodotto sono nelle condizioni migliori per identificare questi rischi. Gli avvisi dovrebbero essere studiati in modo tale da portare l'informazione all'atten- zione delle persone in pericolo nel modo più adatto possibile. Numerose segnalazioni di pericolo attaccate permanentemente alla macchina costituiscono normalmente i l nrodo migliore. Più complete informazioni su tali rischi sono spesso conveniente- mente incluse nei manuali di istruzione e d'uso che accompagnano la macchina.

L'ingegneria della sicurezza sostanzialmente comprende importanti aspetti

non tecnici che riguardano gli individui interessati. Gli ingegneri devono cssere

'In Italia le norrne sulla sicurezza sono contenute i n leggi i , in dirciiivc eniessc d a Enii a l l ' u o p

desiin:iii ([JNI-EN pcr le rnarchine. CE1 p r le parti eleririclir. ISPESI. p c r i rrcipnti i n prcrsione e

(10)

1.3 CONSIDEKALIONI ECOLOGICHE 9 consapevoli di ciò se i loro sforzi legati alla sicurezza devono risultare elficaci.

Sono presentati tre punti specifici in questa categoria.

1. Capacirà e caraiierisiiche degli individui, sia fisiologiclie che psicologi-

che. Quando la macchina è usata o è in servizio. le esigenze di sforzi, di accessibi-

lità e di sopportazione devono essere ben al di sotto dei limiti fisiologici del personale interessato. La disposizione degli stmmenti e dei controlli e la natura delle caratteristiche mentali richieste per I'uso deve essere compatibile con i fattori psicologici. Dove non può essere evitata la possibilità di incidente, i l progetto dovrebbe essere rivolto a limitare le forze sul personale, dovute all'incidente, a vaIori tali da minimizzare l'entità del danno.

2. Comunicazione. Gli ingegneri devono comunicare agli altri le giustificazio-

ni e le modalitàdei dispositivi di sicurezza incorporati nei loro progetti ed in molte situazioni devono impegnarsi in prima persona nello "spiegare" I'uso appropriato di questi dispositivi di sicurezza. A cosa serve, per esempio, sviluppare un casco

efficace per motocicletta se poi non è usato? O provvedere una pressa di dispositivi

di sicurezza da operare con ambedue le mani se poi l'operatore ne blocca uno per avere una mano Iibera per fumare? Sfortunatamente, anche la più efficace comuni- cazione non sempre garantisce un uso intelligente da parte dell'operatore. Questa irresponsabilità può causare controversie, quale quella relativa alla richiesta che i l dispositivo "air bag" sia installato sulle automobili, perché un numero significativo di persone non può essere persuasa ad usare volontariamente le cinture di sicurez- za. La risoluzione di tali controversie richiede il contributo di molte professioni,

una delle quali è certamente quella dell'ingegnere.

3. Cooperazione. La controversia appena indicata illustra la necessità per gli

ingegneri di collaborare efficacemente con membri di altri organismi - governativi,

direzione, vendite, assistenza ai clienti, legale, e così via - affinché gli sforzi

dedicati alla sicurezza risultino efficaci.

1.3

CONSIDERAZIONI ECOLOGICHE

Le persone dipendono essenzialmente dall'ambiente per l'aria, l'acqua, gli

alimenti ed i materiali per vestirsi e ripararsi. Nella società primitiva, i rifiuti prodotti dall'uomo erano naturalmente nciclati per un uso ripetuto. Quando furono introdotte fogne all'aperto e discariche, la natura non fu più in grado di rigenerare e riciclare questi rifiuti entro periodi di tempo normali e furono perciò interrotti i cicli ecologici naturali. I sistemi economici tradizionali consentono la produzione di manufatti in grande serie, venduti a prezzi che spesso non riflettono i l costo reale che la società sopporta in termini di consumo di risorse e di danno ecologico. Ora che la società sta diventando generalmente più consapevole di questo proble- ma, requisiti legali e stime di costo "totale" più realistiche stanno avendo un

sempre maggiore impatto sul progetto ingegneristico. Certamente è importante che

la migliore conoscenza ingegneristica disponibile sia utilizzata per prendere deci- sioni su queste materie.

Possiamo forse stabilire in modo piuttosto semplice gli obiettivi ecologici fondamentali di un progetto ingegneristico nel settore meccanico: ( I ) utilizzare i materiali in modo che essi siano economicamente riciclabili entro periodi di tempo

ragionevoli senza causare sgradevoli inquinamenti di aria ed acqua e (2) minimizzare

la velocità di consumo delle sorgenti di energia non riciclabili (quali i combustibili fossili) sia per conservare queste risorse sia per minimizzare l'inquinamento ternii-

c o I r i cc111 casi, deve esser presa in coiisiderazione ariche la miniriiizzazionc

dcll'i~ic~iiinaiiicrito acustico.

'onic nel caso delle considerazioni sulla sicurezza, per l'ingegnere i fattori

cc.ol«gici sono niolto più difficili da affrontare rispetto ad argomenti quali le tensioni e le deforniaziorii. Di seguito viene presentata una lista di punti da tenerc in considerazione.

1. Considerare tutti gli aspetti dell'obieiiivo fondarrieniale del progerro i r i

iriodo tale da esser sicuro che esso sia giusto. Per esempio, sono sorte perplessità circa l'utilità di alcune grandi dighe. Vi sono effetti ecologici che possono rendere prel'eribile seguire un approccio alternativo? Prima di sviluppare i l progetto di uii vasto sistema autostradale o di uno specifico sistema di trasferimento merci, l'ingegnere deve determinare se la migliore conoscenza disponibile ed il buon senso indicano che il progetto proposto rappresenta la migliore alternativa.

2. Dopo aver accettato l'obiettivo fondamentale del progetto. il prossimo

p;isso è i l riesairie dei concelri globali che devono essere inclusi nel progetto

proposto. Per esempio, un progetto modulare può risultare appropriato laddove coiiiponenti specifici o "moduli" siano suscettibili di usurarsi o di diventare obsoleti e possano essere sostituiti con moduli aggiornati che sono intercambiabili con gli originali. Il rriotore ed i l gruppo di trasmissione di una lavatrice domestica può essere un esempio a cui questo metodo può essere applicato. Un altro esempio

è l'applicazione di finiture rimovibili sulle principali apparecchiature da cucina in

modo da permetterne la sostituzione per realizzare un nuovo schema decorativo senza dover canibiare tutto.

3. Una considerazione importante è . proKeitare per riciclare. Ouando nasce uii -

nuovo progetto, sta diventando sempre più importante che l'ingegnere consideri i l

ciclo ec«logioco completo includendovi l'eliminazione e la riutilizzazione dell'in- -

tera iriacchiiia e dei suoi componenti. Si consideri un'automobile. Dovrebbero essere utilizzati coinponenti adatti per la riutilizzazione (con o senza una ricostru- zione) in modo che possano essere rimossi da una macchina "da rottame". Dovreb-

be esser reso i1 più facile ed economico possibile smontare e suddividere i compo-

nenti in base al materiale. E' stato suggerito, a mo' di battuta. che le macchine

dovrebbero esser fatte in modo tale che tutti gli accoppiamenti si rompessero

quando una macchina da rottame fosse fatta cadere da un'altezza di 9 metri.

Appareccliiaturc automatiche avrebbero quindi scelto i pezzi in base al materiale

per un loro riprocessamento. Una proposta più realistica è quella di attaccare i l

sistema elettrico preassemblato in modo che possa essere rapidamente estratto in un sol pezzo per una facile riutilizzazione del rame.

Sviluppando procedure di riciclaggio secondo queste linee è ovviamente

desiderabile che i maggiori costi che un'azienda deve sostenere per il riciclaggio rizpeiio ai costi connessi con l'abbandono dei vecchi componenti e I'uso di materia-

l i vergirii riflettano i costi reali totali per la società. Nessuna azienda singola potrebbe stare in affari se magnanimamente intraprendesse un costoso programma di riciclaggio per conservare le materie prime e ridurre l'inquinamento se i suoi concorrenti potessero utilizzare liberamente le materie prime ad un prezzo che non riflette questi costi totali per la societi.

4. Scegliere i truieriali avendo in mente i fattori ecologici. Per questo aspetto

sono irriportanti l'accertata disponibilità in natura di materie prime, le esigenze energetiche di irasformazione. i problemi di inquinamento per la trasformazione (connessi all'aria. all'acqua. alla terra, alla temperatura ed al rumore) e la riciclabiliti Idc;~lrricnte iuiti questi fattori dovrebbero essere considerati nella struttura del

(11)

10

GENERALITA' SULLA PROGETAZIONE MECCANICA l 4 <'ONSII>ER.4%10NI SOCIALI

11

prezzo e ciò accadrà probabilmente nel futuro piìi che nel passato.

Un altro fattore da considerare è la durata relativa di materirili altern;itivi ncll:i

costruzione di una pane deperibile. Per esempio, si consideri la grande rid~izionc nel numero di lamette per rasoi (e nel numero di lamette per rasoi d;i ciii:iltire)

ottenuta cambiando i l materiale originale con un acciaio inossidabile. (hl:i non

sarebbe meglio, da un punto di vista generale, individuare un metodo coiivcriieritc

ed efficace per riaffilare le lamette piuttosto che gettarle via?).

L'ingegnere dovrebbe anche considerare Ia coniparibiljrà dei materiali rispetto

al riciclaggio. Per esempio, i pezzi pressofusi in lega di zinco deterior:iiio Iii

qualità del rottame d'acciaio ottenuto compattando i resti delle autoinobili attuali.

5.

Considerare i fattori ecologici quando si stabiliscono i processi rii

fabbricazione. Per questo aspetto sono importanti I'inquinarneiito di qualsiasi genere, il consumo di energia e l'efficienza nell'uso dei materiali. Per esempio, le operazioni di formatura quali la formafura a rulli e la forgiatiira usano ininor materiale (e generano minori scarti) delle lavorazioni con le macchine iitcnsili. Vi possono anche essere importanti differenze nel consumo di energia.

6 . L'imballaggio è un'area importante per la conservazione delle risorse c la

riduzione dell'inquinamento. Cartoni riusabili e l'uso di materiali riciclaii per l'imballaggio sono due aree che stanno ricevendo un'attenzione crescente. 1:orse i l

tipo di imballaggio ecologicamente più desiderabile - - è quello comunemente usrito

per contenere i l gelato: il cono

Quale esempio conclusivo sull'importanza di introdurre sani concetti ingegneristici nelle decisioni che la società prende in materia di ecologiri, ci consideri la proposta, fatta ad alta voce da uno studente (fortunatamente nori era un allievo ingegnere), che l'inquinamento di una centrale elettrica di potenza fosse virtualmente eliminato richiedendo alle società elettriche di azionare i loro genera-

tori con motori elettrici! Ma il problema di proteggere l'ambiente è estrernnitientc

serio. Corne disse una volta Adlai Stevenson. "Noi viaggiamo insieme, p;isscggeri su una piccola astronave, dipendenti dalla sua vulnerabiIe provvista di aria e (li terra coltivabile ....p reservaia dall'annientamento solo dall'attenzione, dal lavoro, e, direi, dall'amore che riserviamo al nostro fragile mezzo".

CONSIDERAZIONI SOCIALI

Come il lettore ben conosce, la soluzione di qualsiasi problema ingegneristico

inizia con la sua chiara definizione. Quindi definiamo, in termini più v;isti, i l

problema da risolvere quando intraprendiamo un progetto meccanico. L'afferma-

zione iniziale in questo capitolo suggerisce una definizione: l'obiettivo foiidamen- - -

tale di ogni progetto ingegneristico è di costruire una macchina o ~in'apparecchiatura

che reca beneficio all'umanità. Per applicare questa definizione

.

- è necessario ragio-

nare in termini più specifici. Come fa un individuo a recar beneficio all'umaniti? Quale unità di misura può essere usata per misurare tali benefici? La forrnulazione di precise definizioni degli obiettivi del problema e l'individuazione di niezzi per

misurare i risultati sono di specifica compererr:a dell'ingegnere. ,

Lo scrivente ha suggerito [2] che l'obiettivo fondamentale del progetto

ingegneristico come di altre attività umane sia quello di migliorare la qualiti della vita nella nostra societh e che questa può essere misurata in termini di iin indice di

quaIità della vita (Life Quality Index, LQI). Questo indice ?, in iin certo senso,

\ ; I I I I I I ~ ; i l I ' . I I I I I ~ I ; I ~ C "[)rodiltto nazion;ilc lordo", 1ii;i [li significato riiolto più :iriipio

Ciiudi~i circa 1:i corretta composizione del LQI dovrebbero, di conseguenza, vari:i-

re i n clii;iicfie nodo in fiinzioiie dei rriolti settori della società ed anche del tempo.

I'cr illiitr:irc i l concetto di LQI, la Tiibelln I . I elenca alcuni dei fattori

iiripon;inti che all;i maggior parte delle persone piacerebbe che vi fossero inclusi.

I,«rse potrcmnio assegnare arbitrariamente un valore di

l00

al fattore considerato

piìi irriportante c pesi inferiori agli altri fattori. Ogni fattore può allora essere

riiolti[~licrito per la <tessa frazione in modo che la somma totale sia 100.

l,'cleiico nclla tabella C chiaramente una indicazione rnolto rozza

iiltrasemplificatu dell'insienie di considerazioni che sarebbero coinvolte per arriva-

rc atl tiri LQI per t i r i dato settore della società in un dato tempo. Ma questo gerrerr

di ragionriniento devc esser fatto per determinare una base chiara per 11 giudizio del

coriipii~iento della rriissioiic ingegiieristica di servi7.10 per I'iinianità.

TA13lSLLA 1.1

13lcnco prcliniiriare (lei fattori costituenti I'iiidicc di qualità della vita (LQI)

1 .Snlrr/e ji~i'c(i

2. Benes.rrrc nl«r(~riale

3. Sicrrrczzn (tassi di criminalità e d'incidenti)

4. Aml~irrirc, (ari:(, acqua, terra e gestione delle ricorse naturali)

5 . Eiirrc(~zione cirlr~rrale (taqso di alfabetizzazionc. qiialità delle scuole pubbliche, presenza di iiiii\,ersità qualificate, opportunità di istruzione per gli adulti, t)ihlioteclie. niiisei. ecc.)

(i. Ti-n~/(~r?lcnro cii , ~ r r r / ~ p i sr'arirn,ygiurr (minorati fisici c mentali, vecchi, ecc.)

7. l/;i'irngiinrizn cii o[)~~orrctr~irÀ (e stimolo di iniziative per usare tali opportunità)

S. Lihrrt2 persoririle

I l conirihiito professionale degli ingegneri coinvolti nell'ampia area del progct-

to e dello svilul~po asyiirric un niolo pariicolare nel determinare i l LQI di una

popolri7ionc. La figurri l I illustra Ic relrizioni sociali che coinvolgono i prodotti ingegricristici.

(12)

12

GENERALITA' SULLA PROGt:TI'A/IONb, Ml:CCANI('A 1 5 CONSII)l:IIA%1ONI C;I.OUAl,l SUL P K O G I J n O

13

La maggior parte della popolazione è irnpieg:rta i i i orgaiiizzazioiii I:] cili

funzione è di svolgere una o più di queste attività: ricerca. progetto, Iribbricazione.

niercato e servizi. Gli sforzi di costoro, insieme con risorse naturali appropriate. rappresentano gli elementi di ingresso di sistemi di produzione chc fòrriiscorio

prodotti utili, materiali di scarto ed esperienza. L'esperienza è di due tipi: (1)

esperienza diretta di lavoro degli individui, che dovrebbe essere costrtittiva c soddisfacente, e (2) conoscenza empinca raggiunta circa l'efficacia del sisternn completo, con implicazioni per un suo miglioramento futuro. I prodotti servono a tutti finché non vengono scartati, nel qual caso essi possono costituire delle risorse materiali, nciclabili a lungo o breve termine, e un possibile inquinamento.

Un valido LQI deve prendere in considerazione i fattori psicologici. Questo libro può includere soltanto una breve introduzione a questo ampio argomento. Mii si spera che ciò possa stimolare lo studente verso un interesse permanente e una sensibilità per questo argomento fondamentale.

Sappiamo che le persone manifestano una serie infinitainente varia e s p c s ~ o confusa di caratteristiche. Ma sappiamo anche che vi sono certe caratteristiclie e bisogni tipicamente umani che rimangono fissi, per tutti gli individui e presumibilmente in ogni tempo. Questi sono stati proposti come livelli di bisagtio

umano da Abraham Maslow, uno psicologo dell'Università Brarideis [4,5]. Per

ragioni mnemoniche, essi sono espressi con cinque parole che iniziano con la "Su

(in inglese) [3].

Gerarchia dei bisogni d i Marlow

1. Sopravvivenza (Survival)

2. Sicurezza (Safety)

3. Accettazione sociale (Social acceptance)

4. Posizione sociale (Status)

5. Realizzazione di sè stessi (Self-fulfillment)

Il primo livello. ovviamente, è il bisogno per la sopravvivenza immediata -

alimentazione, rifugio, abbigliamento e riposo - qui e ora.

Il secondo livello riguarda la sicurezza - assicurare la sicurezza di ognuno e la

futura sopravvivenza.

I1 terzo livello è l'accettazione sociale. Le persone hanno bisogno di apparte-

nere e di interagire con una famiglia, una comunità, o un altro gmppo; esse hanno bisogno di amore e di accettazione.

Il quarto livello è la posizione sociale - una necessità non solo di far parte di uri

gmppo sociale ma anche di meritare e ricevere rispetto ed ammirazione dai propri simili.

I1 IivelIo più alto è la realizzazione di sè stessi - crescere per esprimere

completamente le proprie caratteristiche potenziali e raggiungere una completa soddisfazione intema.

In un dato tempo, i popoli e le nazioni operano su uno o più di questi livelli; i livelli definiscono un percorso generale o una scala di avanzamento che porta dall'esistenza primitiva ad una matura e ricca qualità della vita.

Storicamente, lo sforzo ingegneristico è stato diretto principalmente verso il

soddisfacimento dei bisogni I e 2. Più recentemente, una percentuale sempre

maggiore dei sistemi di produzione sono stati progettati per fornire alla società prodotti che vanno al di là dei bisogni di sopravvivenza e di sicurezza, coriiribueri-

d o probabiliiiciiic ii soddisfare i Icgittinii più elevati bisogni del coristirnatoi-C,

Aiictie per i lavoratori,

6

interessante notare clie i recenti prograniiiii d~

";ill:irgariierito del lavoro" e "anicchiniento del lavoro" sono diretti verso i bisogni

più alti, 3, 4 e 5 , del lavoratore.

Uii ingrediente fondamentale della societii uniana è il canibiamento. Gli inge-

gneri devono cercare di capire non solo i bisogni della società odierna ma anche la direzione e la rapidità dei cambiamenti della società che stanno verificandosi.

Inoltre, dobbianio cercare di capire l'influenza della tecnologia - ed in particolare

quella dei prodotti ineccanici e dei relativi sistemi di fabbncazione - su questi

cariibiamenti. Forse l'obiettivo più importante della professione dell'ingegnere è di

stiiriolare la società in modo che sviluppi cambiamenti tali da aumentare l'indice di qualità della vita.

1.5

CONSIDERAZIONI GLOBALI SUL PROGETTO

Molti progetti ingegneristici coinvolgono una moltitudine diconsiderazioni ed

6

coinpito dell'ingegnere di valutarle tutte nella giusta proporzione. Anche se le

seriiplici liste di riscontro qui fornite non possono essere adeguate e complete, può essere utile elencare in modo organizzato le maggiori considerazioni coinvolte.

A. Considerazioni "tradizionali"

1 . Per l'insieme od il volume del componente:

;i. resistenza

b. deformabilità

C . peso

d. dimensione e forma

2. Per le superfici del componente.

a. usura b. lubrificazione

C . corrosione

d. forze d'attrito

e. calore generato per attrito

3. Costo

B. Consideruzioni "moderne"

1 . Sicurezza

2. Ecologia (terra, aria. acqua, inquinamento termico; conservazione delle

risorse; mmore)

3. Qualità della vita

C. Considerazioni varie

I . Affidabilità e manutenibilità (Questo fattore sta emergendo come quello

che richiede sostanzialmente maggiore enfasi)

2. Estetica

Spesso varie considerazioni di progetto sono apparentemente incompatibili fiiichè l'ingegnere non individua una soluzione sufficientemente creativa ed inge- gnosa. Il progetto di un elevatore a forche rappresentato in fig. 1.2 costituisce uii

(13)
(14)

1 6 GENERALITA' SULLA PKOGEI-I'AZIONI' MkCCANIC'A I 6 SISTEMI DI UNITA' DI MISURA 17

assunic come dimensioni pririiarie la forza. la iiiass;~, la Iuiiglitz~;~ t d 11 I C I ~ ~ C , . 1.c

unità fondarncntali impiegate per queste diiriensioni prirriarie sono cleric;iie ricl1.i

fig. 1.3. Le unità fondamentali sono la libbra f o r ~ a (Ib), la libbra nias5a (Ibrii), i l

piede (it) ed i l secondo (s).

Tabella 1.2

Unità per la lunghezza, il tempo, la massa e la forza nei sistenii inglese, britannico e SI

Ingegneristico Inglese Gravitazionale Britannico SI

i

F M U

l

[ F U ] [ AlLt

1

Quantità Unita Sinibolo Unità Simbolo Unità Siriibolo

Massa libbra massa Ibni slug slug chil«gr:ininio kg

Lunghezza piede ft piede ft rnetro 111

Tempo secondo s secondo s secondo s

Forza libbra peso Ib (o lbf) libbra Ib newton N

(=32,174 Ibm.ft/s2) ( = l slug,fUs2) (=l kg,ni/s2)

Una forza di una libbra (Ib) accelera una massa di una libbra (Ibni) ad un valore uguale all'accelerazione standard di gravità di 32,2 fUs2.

La seconda legge di Newton è scritta nella forma

Dalla seconda legge di Newton si ha

Ibm x 32,2 ft / s 2

1 Ib-

S ,

La costante di proporzionalità gc possiede dimensioni

2. Sistema gravitazionale britannico (FLt). I l sistema gravitazioncile britaiiiii-

co assume la forza, la lunghezza ed il tempo come dimensioni primarie*. Le u n ~ t i

fondamentali sono la libbra (Ib) per la forza, il piede (fi) per la l u n g h e z ~ ~ ed 11

secondo per i l tempo. La massa è una dimensione secondaria. La seconda legge di

Newton è scritta nella forma

L'unità di massa. lo slug, è definita. usando la seconda legge di N ~ M (ori, coriic

1 slug

=

I Ib.s2/ft

* I l sislerna iecnico europeo. analogo. usava corrie u n i i i i l kg peso (uniih di forra). i l iiieiro cd i l

(15)

18

GENERALITA' SULLA PROGETTAZIONE MECCANICA

polche una forza di I Ib accelera I slug a I ltls2, essa accelererà 1/32.? s l ~ i g ;i 3 2 . 2

fus'. AncIie una libbra massa è acceler;ita a 32.2 ltls2 da i i i i r i l«r/.a di I Ib. l'ertarito

1 Ibm = 1/32,? slug

3. Si.rierna interrrnziorralc SI ( M L i ) . I l sistema SI (Sysièrne lntcniational d'lJriités)

assume la niassa, la lunghezza ed il tempo come dimensioni primarie. Le uniti

fondamentali sono i l chilogrammo (kg) per la massa, i l metro (rri) per la Iiingliezza

ed i l secondo (s) per il tempo. La forza è una dimensione secoridaria. La seconda

legge di Newton si scrive nella forma

L'unità di forza, i l newton (N), è definita usando la seconda legge di Ncwton

come

I>'unità di forza è di particolare importanza nella progettazione nieccanica e

nell'analisi poichè è coinvolta nel calcolo di forza, momento, tensione (e pressio-

ne), lavoro (ed energia), potenza e moduli di elasticità. Nelle unità SI,

6

c~irioso

notare che un newton è approssimativamente il peso (o la f o r ~ a gravitazioniile sulla

terra) di una mela media.

L'appendice A-2 elenca i prefissi standard per le unità SI. Le appendici A-3, A-

4 e A-5 elencano possibili combinazioni di prefissi SI che risultrino utili nel cnlcolo delle equazioni delle tensioni e degli spostamenti.

1.7

METODOLOGIA PER RISOLVERE I PROBLEMI RE1,A-

TIVI AI COMPONENTI DELLE MACCHINE

U n metodo essenziale per affrontare i problemi relativi ai componenti delle

macchine è di formularli accuratamente e di presentarne le soluzioni in modo

accurato. La formulazione del problema richiede considerazioni circa la situazione

fisica e la rappresentazione matematica. La rappresentazione matematica di una

situazione fisica è una descrizione ideale o un modello che approssima nia non

rappresenta mai perfettamente i l problen,a fisico.

Il primo passo per risolvere i problemi relativi ai componenti delle macchine è

di definire (o capire) il problema. I passi successivi consistono nel definire (o

sintetizzare) la struttura, identificare le interazioni con gli elementi contigui e

disegnare i principali schemi. Particolare attenzione deve esser posta ncll'analisi

del problema facendo opportune ipotesi usando le pertinenti leggi fisiche, le relazioni e le regole che parametricamente pongono in relazione la geometria con

il comportamento del componente o sistema. L'ultimo passo è di provare I;i

ragionevolezza dei risultati e, se appropriati, fare commenti circa Iri soliizioiie. La maggior parte delle analisi usano, direttamente o indirettamente,

Statica e dinamica Meccanica dei materiali

f:or iiililc (tabcllc. c1iiigr:iiiiiiii. prorlictti) l'riricipiii di conscrvriziorie dcllii iii;iss;i Priiicipio di conservazione clel1'ziiergi;i

liioltre gli iiigegneri harino bisogno di conosccrc coine le cnr;itteristrche lisiche

dci iii;iteririli con i quali sono fabbricati i coiiiponenti si influenzano trn loro

Possono utilizzare la priiiia, la seconda e la terza legge del nioto di Newton. Ic

equazioni del tr~isferiinento termico per convc~ione ed i l modcllo di conduzione

del c:ilore di Fourier. Saranno necessarie iissurizioni per semplificare il prob1cm:i ed esrer certi clie le equazioni e le rel~iziorii siiirio appropriate e valide. 12'ultimo passo rigirarda In prova del1;i ragionevolezzri dei risultati.

Lo scopo principale di questo libro è di aiutare gli stiidenii ad imparare conie

risolvere i prohleirii iiigegncristici che riguardarlo i coniponenti meccanici. Pei- questo sorio forniti numerosi esempi risalii e problemi alla fine di ogni capitolo [i'

cstreni;iiiieiitc iiiiportante studiare gli c.seiiipi c risolvere i problemi perchè I:i

p;idroii;inzn dei londtiinenti si utticne olt;into con la pratica.

Per massiniizzare i risultati ed i benefici nel risolvere i problemi, è ne.cessario

svil~ippare iin rnctodo sistematico. Kaccorriandi;irno che le solu7,ioni del problema

siano organizziitc usando i seguenti sette paqi. clie sono impiegati nella soliizione

degli esempi di questo libro. l prohleini dovrebbero iniziare registrando ciì) che si

conorce e cornplct:iti comnientando ciò che si

6

appreso.

Dati: Si;ibilire brevemente ciò clie è noto. Questo richiede la lettur;~

accuriita tlel problema e In comprenqione delle iriforrnazioni che sono fornite.

(

Dtterrnirinre: Stabilire conciqaiiicnte ciò che deve essere determinato.

l

Sclrema e dati: Fare urlo schi7.70 del coinponcnte o sisteiria da considerare

Decidere se tino schema di equilibrio ì. appropriato per l'analisi. Assegnare ad

ogni componente o sistema le informazioni principali dedottedalla formulazione del problema.

Registrare tutte le proprietà dei niateriali e gli altri parametri che sono stati forniti o che i prevede possano essere richiesti per i calcoli seguenti. Se ritenuto opportun< fare degli schemi per localizzare i punti critici ed indicare i possibili rriodi di rottura.

L'importanza di chiari schemi per rappresentare uii certo tistema e dei relativi schemi di equilibrio non deve essere sottovalutata. Sono spesso stm- menti essenziali per capire i l problema.

Decisioni: Registrare le scelte e le decisioni. I problemi di progetto

richiedono decisioni soggettive. Le decisioni di progetto coinvolgono la scelta

di parametri quali le variabili geometriche ed i tipi di materiale. Le decisioni sono scelte individiiali.

Ipotesi: I'er eseguire una registrazioiie di come è stato costriiiio i l modello

del prohlern:i, elencare le ipotesi semplificative e le idealizzazioni fatte per renderlo trattabile. Talvolta questa inlorm;izione può essere anche annotata

sugli scheriii. In generale, iinn volta che i l progetto è completo, le assunzioni

(16)

20

GENERALIT'A' SULLA I>I<(>GEI-I'ALI(1NIi hltiC<'!\NI('A

I

teorie circa In rea!ti.

I

Alialisi: Usando le decisioni, ipotesi e idcalizzazioiii. ;ipplic:irc le eqiiario-

rii e le relazioni appropriate per determinare le incogiiiic.

E' consigliabile operare per quanto possibile con le equaziorii in forrii:~

simbolica prima di sostituirvi i dati nunierici. Considerare quali dati addizionali

possono essere richiesti. Identificare le tabelle, i grafici o le relazioni che

forniscono il valore richiesto. Schizzi addizionali possono essere utili a questo punto per chiarire il problema.

Quando tutte le equazioni ed i dati sorio disponibili, sostituire i valori

numerici nelle equazioni. Controllare accuratamente che sia stata impiegata un consistente ed appropriato insieme di unità in niodo da assicurare un'omogeneiti dimensionale. Eseguire quindi i calcoli necessari.

Finalmente, considerare se le grandezze dei valori numeiici seiiibrano

ragionevoli ed i segni algebrici associati con i valori numerici sono corretti.

Commenti: Quando ritenuto appropriato, discutere brevemente i risultati.

Commentare ciò che si è appreso, identificare gli aspetti foiidamentali della

soluzione, discutere in che modo potrebbero essere ottenuti risultati migliori assumendo differenti decisioni di progetto. scartare certe ipotesi e così via.

Saranno richieste approssimazioni per i modelli mateniatici dei sistemi fisici.

Il grado di accuratezza richiesto e l'informazione desiderata determinano il grado di approssimazione. Per esempio, il peso di un componente può essere norinalmcn-

te trascurato se i carichi sul componente sono molte volte più grandi del suo peso

iotale. L'abilità di adottare appropriate ipotesi nel formulare e risolvere un proble-

ma relativo ad un componente di una macchina è una tipica caratteristica dell'inge-

gnere.

Mano mano che una soluzione particolare si sviluppa, si può ritornare ad uri passo precedente per rivederlo nell'ottica di una migliore comprensione del proble- ma. Per esempio, può essere necessario aggiungere o scartare un'ipotesi, modifica- re una decisione, rivedere uno schizzo, o cercare un'ulteriore informazione circa le proprietà di un materiale.

Lo schema di soluzione di un problema usato in questo testo è siato adottato

per guidare il ragionamento non per sostituirsi ad esso. Di conseguenza, si deve evitare l'applicazione acritica dei sette passi, dalla quale si trarranno scarsi benefi- ci. In alcuni dei primi esempi e nei problemi di fondo capitolo, lo schema di soluzione può risultare non necessario o poco pratico. Tuttavia, quando i problenii diventano più complessi, ci si renderà conto che questo metodo riduce gli errori, risparmia tempo e provvede una più profonda comprensione del problema in esame.

1.8

LAVORO ED ENERGIA

Tutti gli apparati meccanici coinvolgono forze e rnovin~enfo, che. in conibina-

zione, rappresentano lavoro, o energia. Risulta quindi impanante riesaminare

questi conceiti fondamentali.

Il lavoro fatto dalla forza F che si ipotizza agente in un punto di un compoiien-

tc cl~~;iiido 1 1 rito si rii~iovc dalla posiziorie iiiiziale s, :iII:i posiziuiie 1'iii:ilc .v, i.

W =

I''

F (ls

( a )

dove I'esprcahiorie dcl lavoi-o è htata scritta coriic prodoitu sc;il;ire del vettore form

1: e del vettore spostamento ds.

Per v;ilutare l'integrale si deve conoscere coriic la f o r ~ a varia con lo spostarnenio.

Il valore di \V dipciide dalle inodaliti delle inierazioni che avvengono tra i l

componente e gli elementi circostanti. I limiti dell'integrale significano "dalli1

posizione 1 alla posizione 2" e non possono essere interpretati come i valori del

I;ivoro in l ed iii 2. La nozione di lavoro in 1 o i i i 2 non ha alcun significato. quindi

l'integrale non deve mai essere indicato come N'>-W,.

La fig~ira 1.4 niostra una mota posta in rotazione dall'applicuione di una forza

tarigcnziale Fiigente al raggio R. Se la motaconipie q giri, i l lavoro faito, \V, è dato

d a

dove S è lo spostarriento totale del punto di applicazione della forza F

.

Supponiairio che la mola sia molata di un angolo 8 applicando una coppia 1.

(uguale a1 prodotto di F per R). Allora il lavoro fatto, W, è dato da

l1 lavoro fatto dalla forza o dalla coppia può essere considerato come un

irasferimento di energia al componente. dove è inimagazzinata conie energia

potenziale gravitazionale. energia cineiica o energia inierna, o in due di queste forriie o in tutte tre; o può essere dissipata come energia termica. La quantità totalc

di energia è conservata in tutte le trasformazioni.

I l Irivoro ha le unità di una forza moltiplicata per una distanza. L.e uniti

dell'energia cinetica, dell'energia potenziale e dell'energia interna sono le stesse

del lavoro. In uniti SI, l'unità di lavoro è i l newton.metro (N,ni), chiamata joule ( J ) .

Le uriità coinuneinente usate nei sistemi ingegneristico e gravitazionale britannico

per il lavoro e l'energia sono i l pied~.libbra (ft,lb) e l'unità termica britannica (Btu).

Figura 1.4 - Ruoia soltoposia ad u n a kirza iangsiizi;ile.

1.1 Coppia d a applicare a d un albero a carnrne

La figura 1.5a mostra una cunirna niotante che comanda i l moviinento verticale di una putltrria. Nella posizione mostrata. la puiiteria viene spinta verso l'alto

con una forza di l N. Inolire, in questa posizione è siato determinato che ad uii:i

rotazione di 0,I radiante (5,73") corrisponde un nioto della puiiieria di I miii.

(17)

22

GENERALITA' SULLA PROGEITAZIONE MIIC'CANICI\ i .O POTENZA

23

Soluzione

I

I

Dati: Una camrna cscrcita lirin data forza su uria puntcria per lino spost;iiiiciito

I

noto.

Ijeterminale: La coppia media richiesta. Schema e dati:

1

+L.

c

o

r

,

U %L O o 0 1 U 1 Roiaz~one

della camma (rodi S p a ~ l a m e n t a della punteira ( n m )

(t11 l61 !<l

Figura 1 5 Carnrna e punicrla pcr i'cwrnpio i I

Ipotesi:

l . La coppia può essere considerata costante durante la rotrizioiie

2. Le perdite d'attrito poszono essere trascurate.

Analisi:

l . Il lavoro fatto sull'albero a camme è uguale al lavoro fatto dalla pLiriteriLi, se

si trascura l'attrito.

2. Lavoro in ingresso = 78 =

UO,

l rad)

3. Lavoro in uscita =

FS

= ( 1 N)(0,00 1 m)

4. Uguagliando i l lavoro in ingresso al lavoro in iiscita e risol\~cii(lo rispetto a T

si ottiene

Commenti:

Se è presente I'aitrito ed i l punto di contatto della carnma si rriuove sul piattello

della punteria per un tratto A, i l lavoro lattci per superare la forza d'attrito

sarebbe pFA, dove p è i l coefficicnte d'attrito tra la camrna ed il piattello e F ì.

la forza verticale.

1.9

POTENZA

Molte analisi di progetto di macchine riguardano la velocit:~ con cui I'ciicrgia ì.

irasfenta. L a velociti di trasferimento di energia è chianiaia pocc.,l:ci eti i. iiidicatri

coli I\/ Quiindo i l lavoro i. cffcituato d,i una rowii, c o i ~ i e nell'eq. a . la vclocità di

triislei-iiiicrito di ciiergia i. uguale al prodotto scalare dcllii forza per 121 velocità del

p~iiiro di ;ipplic;i/ioric della forza

I l pulito sopr;i IV indica urla derivata rispctto ;il tempo. L'equazione d può

esscrc integrata diil tcrripo i , al tempo i, per fornirc i1 lavoro iotale fatto durante

I'intcrv;illo di tciiipci.

Poictiè In potenza è la variazioric nel terripo del lavoro, essa può essere

misurata usando qualsiasi unità di energia e di terripo. Nel sistema SI l'unità per la

potenza è i l joulc per secondo (Jls). detto watt (W) In questo libro è usato anche i l

kilowatt (kW). Le unità comunementr uzaie pcr 11 lavoro nei sistemi ingegneristico iiiglcsc e gravitazionale britannico zono ft.lh/s. unità termica britannica per secon- < l ( > ( B t i ~ l s ) ed i l cavallo vapore (hp)

La potenza trasmessa da un componente rotante di una macchina, come un

albero, un disco, un ingranaggio, o una puleggia, è di particolare interesse per lo

{ilidio delle macchine LJn albero rotante è un elemento di macchina molto usato.

Considerianio un albero sottoposto ad una coppia Tdagli elementi ad esso contigui

e rotante ad una velocità angolare (O La coppia sia dovuta ad una forza tangenziale

F agerite in corri\pondcn7a dcl raggio R ; allora T=FR. La velocità nel punto di

applicazione dellit forza ì.. V=R(i), dove 6) è espresso in radianti per unità di tempo.

IJsaiitlo queste relrizioni e I'eq. d si c-irtiene ~in'e\pressione per la potenza trasmessa

;ill'alberc~ d;igli elerneriii collegati

I r i unità SI. i l w'itt (W) P definito corri? 1 J/\. chc equi\ale a 1 N m/\ Inoltre,

I giro = 2n r a d i ~ n t i , 60 7 = 1 minuto e 1000 U = IkW La potcnta in k W e

dove W = potenza ( k W ) , T = coppia < N m). n = velocità dell'alhero (ginlmin).

F = for1.a ( N ) , V = velocit.:ì (m's) e (11 = \,elocità angolarc (radls)

I r i unità inglesi 11 cavallo vapore (hp) è tlcririito conie velocitii di lavoro pari a

1 3 0 0 0 ft.lb/niin Inoltre 1 giro = 2n radianti.

LA

potenza in cavalli vapore è quindi

(18)

24 CÌI:NEKALITA' SULLA PROG11'1-I'ALIONI': hll:('C',\NI( '11 1 10 CONSERVAZIONE IIE1.L2'ENE;I<GIA

2

5

I.'= forza (Ib) e V = velaciti (Sceliiriiii).

1.10

CONSERVAZIONE DELL'ENEKGIA

Per un sistema in cui non c'è trasferirnenia di iriass;] nttra\<crso il ,do corifiiie,

la conservazione dell'energia richiede che

dove

M = variazione dell'energia totale del sistema

AKE = %rn(V,2-V,') = variazione dell'energia cinetica del sisteina @E = rng(z,-z I ) = variazione dell'energia potenziale gravitnzionale del

sistema

AU = variazione dell'energia interna del sisteina

Q =energia termica trasferita al sistema

W = lavoro fatto sul sistema

Il bilancio energetico può essere scritto in varie hriiie. La variazionz istanta-

nea del bilancio energetico è

L'equazione i .4 può essere usata per applicare i l priricipio di coriservazionc dell'energia. Questo principio stabilisce che anche se l'energia può essere cambiata da una forma all'altra, essa non può essere nè distrutta n5 perduta; puO non essere controllabile o utilizzabile ma esiste sempre.

Vi sono diversi aspetti legati al lavoro, all'energin c alla potenza, alcurii dei quali sono illustrati nei seguenti esempi.

E S E M P I O 1.2 Potenza richiesta d a un albero a canime

Se l'albero a camme del precedente esempio mota ad una vclocit' ,i costante

di 1000 giri/min, qual'è la potenza media richiesta durantc i l periodo di ternpo indicato?

Soluzione

Dati: L'albero a camme dell'esempio I . I ruota ad una velocità di

1000 giri/min ed esercita una forza su una punteria.

Determinare: La potenza media richiesta.

1

Schema e dati:

I

Figura 1.6 C.iiiiiiia c punieria pcr l'escinpiu 1 2.

I

Ipotesi:

l . La coppia può essere considerata costante durante la rotaziorie.

2. Le perdite per attrito possono essere trascurate. Analisi:

1. La velocità di rotazione di 1000 girilmiri corrisponde a 2000 x riid/rriiri o

33,3

x

rad/s.

2. Quiiidi una rotazione di 0,1 rad richiede (0.1133,3 n ) secoiidi.

3. Durante questo intervallo di ternpo i l lavoro fatto sull'albero è 0,001 N.ni.

4. Poichì. la potenza è espressa dal lavoro diviso il tempo, si ha 0,001 N.m per

(0,1/33,3 n ) s o l ,O5 N.rn/s. Ciò equivale a 1 ,05 W.

5. La potenza espressa in cavalli vapore (ved. appendice A- l ) è quiridi

1,05 W x 0,00134 hplW o 0,0014 hp

E S E M P I O 1.3 I'olenza richiesta al motore di una pressa per f o r a l u r a

senza volano

L'albero a gomiti di una pressa per punzonatura mota ad una velocità di 6 0 giri1

min per eseguire fori su un componente in acclaio alla cadenza di 60 fori al

minuto. La coppia richiesta all'albero a gomiti è mostrata in Fig. 1.7. La pressa

è azionata (tramite adatti riduttori di velocità) da un motore che gira a 1200 giri/

riiin. Trascurando l'effetto del volano, qual'è la potenza richiesta al motore per fornire i l picco di coppia?

Soluzione

I

Dati: L'albero della manovella di una pressa ad eccentrico per punzonatura.

con una richiesta di coppia assegnata. ruota ad una data velocità quaiido la pressa fora una lamiera con una data cadenza.

Determinare: La potenza richiesta al motore per fornire i l picco di coppia

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