Manovellismo tesina

I P S

STITUTO ROFESSIONALE TATALE

I A

PER L' NDUSTRIA E L' RTIGIANATO

"I. PITTONI"

Via Pittoni, 26 - 31015 Conegliano (TV)

ESAME DI STATO ----

IL MANOVELLISMO

Candidato: ---------------------

Classe: ----------------

Anno scolastico: ----------

Materie coinvolte: Macchine a Fluido, Tecnica della produzione, Storia.

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Indice

Indice.............................................................................................................................1

Introduzione...................................................................................................................2

Percorso........................................................................................................................3

Capitolo 1:......................................................................................................................4

SISTEMA BIELLA-MANOVELLA..................................................................................4

1.1 STUDIO CINEMATICO BIELLA-MANOVELLA.......................................................5

1.2 STUDIO DINAMICO................................................................................................6

1.3 MOMENTO MOTORE.............................................................................................7

1.4 LA BIELLA..............................................................................................................9

MATERIALI PER LA COSTRUZIONE.........................................................................10

1.1 PROVA DI TRAZIONE...........................................................................................11

1.2 RESILIENZA..........................................................................................................14

Capitolo 3:....................................................................................................................16

SECONDA GUERRA MONDIALE...............................................................................16

1.1 LO SCOPPIO DELLA GUERRA............................................................................16

Sitografia......................................................................................................................20

Bibliografia...................................................................................................................20

1

Introduzione

Ho deciso di parlare del sistema biella - manovella perchè oggi giorno lo

ritroviamo in quasi tutti i motori, i quali si sono diffusi su larga scala con

varie applicazioni. Un esempio sono i motori a combustione interna che

ritroviamo nelle auto e si dividono in:

 a benzina: dove la reazione di

combustione ( all’interno della

camera ) può avvenire per

accensione comandata

(es. scintilla trasmessa da una

candela)

 diesel: dove la reazione avviene

spontaneamente attraverso l’alta

temperatura raggiunta dall’aria

all’interno del cilindro mediante la

compressione.

Questo meccanismo posto all’interno de

motori si muove grazie alla reazione di combustione che avviene tra un

carburante ( benzina, gasolio o metano ) e un carburante ( aria ) all’interno del

cilindro dove vengono trasformati in lavoro meccanico che provoca la spinta e

lo spostamento dei pistoni che si muovono in moto rettilineo alternativo.

Grazie a questa invenzione i veicoli motorizzati furono prodotti in grande

quantità, anche per far fronte alla prima e seconda guerra mondiale o guerre di

massa, dando così un enorme impulso alla produzione industriale.

Se prima i trasporti erano garantiti da muli e cavalli ora nelle guerre mondiale e

anche nella vita quotidiana prevalgono i veicoli con motore a combustione

interna, perché più capienti e veloci. 2

Percorso IL MANOVELLISMO

Tecnica della produzione:

MACCHINE A FLUIDO: Proprietà meccaniche, collegato

Meccanismo biella – manovella. mediate i materiale da costruzione.

STORIA

Seconda guerra mondiale, collegata mediante il

meccanismo biella manovella che trova

applicazione all’interno dei motori a

combustione. 3

Capitolo 1:

SISTEMA BIELLA-MANOVELLA

Figura 1

Il sistema di biella- manovella è un meccanismo articolato che consente di

trasformare il moto rettilineo dello stantuffo, che scorre nel cilindro (H), in moto

rotatorio dell’albero motore intorno ad un asse di rotazione la cui traccia è

rappresentata dal punto (A).

Nella figura ( n.1 ) è rappresentato lo schema di un manovellismo ad asse

orizzontale, in cui sono evidenziati i seguenti elementi:

-Il punto A, traccia l’asse di rotazione dell’albero motore

-La manovella, pari al segmento AB, di lunghezza uguale ad r (raggio di

manovella)

-La biella, corrispondente al segmento CB di lunghezza L

-Il punto B, detto testa di biella, si articola in due pezzi con un cuscinetto e

vincolata alla manovella con due viti (B). La testa di biella è animata di moto

circolare uniforme con velocità angolare ω [rad/s] con centro in A 4

-Il punto C, detto piede di biella, si articola tramite un cuscinetto sul perno il

quale vi è collegato lo stantuffo ( pistone ).

-I punti fissi, sono detti punto morto superiore (PMS) e punto morto inferiore

(PMI). Questi punti si chiamano morti, perché in tali punti la velocità dello

stantuffo è nulla. La distanza tra i 2 punti morti si chiama corsa ed è uguale a:

corsa = 2×r dove r è il raggio della manovella.

Da quanto abbiamo detto è possibile notare che la testa di biella (B) articolata

alla manovella (segmento AB), ha un moto circolare continuo mentre il piede di

biella (C) articolata al pistone, ha un moto rettilineo alternato, ne consegue che i

punti intermedi della biella descrivono traiettorie ellittiche.

In questo lavoro verranno discussi i parametri principali dello studio cinematico

e dinamico del meccanismo biella-manovella, soffermandosi sul momento

motore agente sull’albero di rotazione.

1.1 STUDIO CINEMATICO BIELLA-MANOVELLA

Figura 2 5

I parametri fondamentali per lo studio cinematico sono:

-L’angolo θ, corrispondente allo spostamento angolare della manovella ed è

proporzionale al tempo (t) secondo la relazione :

ω = =

(θ - )= ω(t- )

Θ = ω x t

-Lo spazio percorso dalla manovella (B) è dato da: S = r x θ

m

-La velocità della manovella è data da: V = r x ω

m

-L’accelerazione tangenziale è nulla perché il moto circolare è uniforme,

2

mentre l’accelerazione centripeta è uguale a: a (B)=ω r

c

-Lo spazio percorso dal perno del piede di biella considerando come punto di

origine PMS è uguale a: 2

Sc = r (1 – cosθ + sin θ)

1.2 STUDIO DINAMICO 6

Figura 3

Nello studio dinamico prendiamo in considerazione gli organi che han no

moto alternativo e gli organi che hanno moto circolare continuo.

ORGANI CON MOTO ORGANI CON MOTO

ALTERNATIVO CIRCOLARE CONTINUO

Piede di biella Manovella

Pistone (stantuffo) Perno o bottone

Perno o spinotto Testa di biella

2/3 della massa della biella 1/3 della massa della biella

La somma delle masse dei singoli La somma delle masse dei

organi è uguale ad M . Tali masse singoli organi è uguale ad

a

realizzano un’accelerazione a(C) e ne M . Tali masse realizzano

r

consegue una forza d’inerzia Fa con un’accelerazione centripeta

verso contrario all’accelerazione. a (B) e ne consegue una

c

La Fa è uguale, secondo l’equazione forza d’inerzia Fr con verso

fondamentale della dinamica, a contrario alla’accelerazione.

F = m a: Fa = Ma × a La Fr è uguale a :

c 2

Fr = Mr × ω r

1.3 MOMENTO MOTORE

Il sistema biella – manovella trasforma la forza di compressione agente sul

piede di biella in momento motore agente sull’albero ( macchine motrici )

oppure, tramite la manovella il momento motore presente nell’albero può

essere trasformato in forza disponibile sul piede di biella ( macchine

operatrici ).

Le modalità di trasformazione tra forza permanente e momento motore sono

riconducibili , quindi, a 2 casi:

-Macchine motrici: La pressione P esercitata dai gas o liquidi che spingono il

pistone moltiplicata per l’area di base del cilindro di alesaggio D, costituisce

π D²/4.

la forza Fg ( forza di compressione agente sul pistone ) = 7

La forza esercitata dai gas sul pistone si trasmette lungo la biella, e da questa

tramite la manovella, si trasmette all’albero sotto forma di momento motore

Mm.

-Macchine operatrici: il momento motore Mm che agisce sull’albero e

proviene da un motore esterno, si trasforma in forza motrice (Fg) agente alla

base della biella, avendo assunto come braccio di momento il raggio di

manovella. Tramite lo stantuffo, la forza motrice Fg si trasforma nella

pressione P agente sul liquido o sul gas della macchina operatrice.

Nella schema rappresentato in figura n.4 la forza esercitata dai gas Fg viene

scomposta in 2 componenti. La componente Fb che si trasmette lungo la

biella fino al perno della manovella B; la componente N, normale all’asse del

cilindro. La componente N non compie lavoro ed è una forza negativa, perché

causa l’usura e la diminuzione del rendimento. Le 2 forze saranno uguali a :

Fb = N = Fg × Tg

Figura 4

La prima componente Fb si trasmette al perno della manovella nel punto B, e

con successiva decomposizione otteniamo una forza tangenziale T e una

radiale R. R non produce momento rispetto ad A mentre T scaturisce il 8

momento motore. Quindi il momento motore che agisce sull’albero di

rotazione è uguale a Mm = T × r.

T = Fb × sin( θ + ) = × sin( θ + )

1.4 LA BIELLA

La Biella è un’asta che unisce il perno della manovella, mediante la sua

estremità denominate testa di Biella, alla manovella; mediante l’altra

estremità denominata piede di Biella, tramite lo spinotto si collega allo

stantuffo.

Le bielle possono dividersi in lente e veloci:

 BIELLE LENTE:

Queste bielle lavorano a bassa velocità ( velocità max di circa 300 g/min). Le

sezioni tipiche sono a sezione circolare cava oppure rettangolare.

La progettazione di una biella lenta viene fatta trascurando la sua forza

d’inerzia e tenendo conto della sola sollecitazione di compressione a carico di

punta. Tali condizioni sono sancite dalla scelta di sezioni a doppia T

 BIELLE VELOCI:

Sono le bielle operanti in motori con alto numero di giri ( motori d’auto,

aerei, motori da trazione per veicoli industriali). Nella loro progettazione si

tiene conto delle sollecitazioni di compressione a carico di punta , delle forze

d’inerzia e dalla flessione dovuta alle forze centrifughe agenti sulla biella.

Occorre garantire a queste bielle buona leggerezza congiunta alla necessaria

rigidità.

Capitolo 2: 9

MATERIALI PER LA COSTRUZIONE

Ogni componente di un motore non è realizzato con lo stesso materiale.

I pistoni sono in alluminio, albero motore e la biella in acciaio (anche se per

quest'ultima c'è stata qualche realizzazione in alluminio), il cilindro può

essere in ghisa, o in alluminio con speciali rivestimenti ma dicendo questo,

non diciamo niente, prima di tutto perchè esistono molte "varietà" di acciaio,

o di alluminio. in secondo luogo, anche se il tipo di materiale utilizzato è lo

stesso, una diversa lavorazione meccanica ne può determinare comportamenti

molto diversi.

I materiali adoperati per la costruzione della biella devono avere ottime

caratteristiche meccaniche per poter resistere alle sollecitazioni che agiscono

sulla biella durante il suo moto di rotazione nel punto B e di traslazione nel

punto C

Per le bielle lente si utilizza acciaio al carbonio; per le bielle veloci, ghisa

sferoidale e acciai legati da bonifica:

- EN – GJS – 400 – 15U

- C30 UNI 7845

- C50 UNI 7845

- 39 Ni Cr Mo 3 Uni 7845 BONIFICATO

Gli acciai legati da bonifica sono i più indicati perché hanno una buona

tenacità e resistenza a trazione.

Come detto precedentemente i materiali utilizzati devono avere delle buone

proprietà meccaniche le quali esprimono la capacità di un materiale di

resistere alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a deformarlo.

Queste proprietà meccaniche vengono testate con la prova di trazione e

resilienza che ora spiegherò in cosa consistono. 10

1.1 PROVA DI TRAZIONE

Questa sollecitazione avviene quando le forze applicate al corpo sono dirette

lungo l’asse, con direzioni opposte e tendono ad allungarlo.