Biella-Manovella

Il meccanismo biella-manovella

Classe 5 meccanica

Anno scolastico 2006/2007

Prefazione

Ho voluto dedicare questo mio lavoro al manovellismo biella-manovella.

Non ho voluto soffermarmi sulla parte tecnica, ovvero sul dimensionamento, poiché avendo a mia disposizione poco, pochissimo tempo, ho preferito svolgere un lavoro più discorsivo.

Il tempo a mia disposizione è stato poco, dovendo adempiere ai miei compiti di buon cittadino.

Sono tornitore di materie plastiche, produciamo, dai semilavorati, (manicotti od estrusi) prodotti finiti per aziende di carattere farmaceutico, chimico, navale ed alimentare. Il materiale frequentemente più usato è il PTFE (pentatetrafluoroetilene) perché è un materiale dalle ottime caratteristiche nonché asettico.

Ovviamente questo comporta essere continuamente aggiornato ad apprendere nuove tecniche di lavorazione al fine di ottenere una ottima preparazione professionale, a discapito però del tempo dedicato al corso di studi per divenire perito meccanico.

Mappa concettuale

Meccanica: Meccanismo biella-manovella (pag. 1 a 5)

Tecnologia meccanica

Caratteristiche dei materiali (pag. 6 a 12)

Diritto ed economia L’azienda (pag. 13 a 16)

Inglese Henry Ford (pag. 17)

Storia La Prima guerra mondiale (pag. 18 a 25)

Italiano Giuseppe Ungaretti (pag. 26 a 33)

Meccanismo biella-manovella

Il meccanismo di biella e manovella è detto anche manovellismo di spinta rotativa ed è un sistema molto articolato che trova vastissima applicazione nelle costruzioni di qualsiasi tipologia di macchine.

Avendo come riferimento la figura 1, in cui se ne è data una rappresentazione schematica, si hanno i due elementi principali: una biella (b) e una manovella (m), che quest’ultima consente di trasformare il moto rettilineo alterno dello stantuffo (S), che scorre dentro un cilindro dell’albero motore intorno all’asse (H), in moto rotatorio continuo, asse di rotazione la cui traccia, sul piano del foglio, è rappresentata dal punto (A).

Una estremità della biella, detta piede, si articola, tramite un cuscinetto, al perno (C) o anche detto spinotto dello stantuffo; l’altra estremità della biella, ossia la testa, si articola, sempre per mezzo di un cuscinetto, al bottone (B) o denominato anche perno della manovella, che è congiunta all’albero motore. Figura 1 1

La biella è un’asta che unisce il bottone di manovella, a cui è collegato mediante la sua estremità denominata testa di biella, con un elemento traslante con cui è vincolata l’altra estremità detta occhio o piede di biella.

Nelle macchine motrici la biella è l’organo che trasmette e trasforma il moto rettilineo alternativo del pistone in moto rotatorio della manovella e quindi dell’albero motore. Le forme più comuni delle bielle vengono differenziate essenzialmente dalla sezione del fusto o stelo che unisce le due estremità (a doppio T, ellittica, rettangolare) e della forma della testa (aperta o chiusa). La loro scelta dipende dall’impiego. In base all’impiego è possibile individuare, per le bielle, le applicazioni principali che di seguito vengono presentate.

Le bielle si possono dividere in lente e veloci:

Bielle lente

Sono quelle bielle che operano in macchine essenzialmente lente: funzionanti con velocità massime di circa 300 giri al minuto (compressori, locomotive, motrici alternative, presse oleodinamiche). Quelle bielle, appunto perché funzionanti a basse velocità, si costruiscono pesanti, con forme e sezioni molto semplici e lavorazioni non molto precise. La progettazione di una biella lenta viene effettuata trascurando la sua forza d’inerzia e tenendo conto della sola sollecitazione di compressione, quando il piede di biella è al punto morto superiore, posizione in cui lo sforzo trasmesso risulta massimo. Questa condizione di carico, in funzione della snellezza, può sollecitare la biella a carico di punta. La sezione del fusto è normalmente rettangolare (costante o crescente dal piede di biella alla testa), talvolta cilindrica o tubolare. Per l’occhio o piede si adotta sempre la forma chiusa, mentre la testa può essere chiusa o aperta con il cappello di estremità fissato al corpo mediante dei bulloni prigionieri o passanti. 3

Bielle veloci

Sono quelle bielle che operano con un alto numero di giri (motori d’automobili, aerei). Per queste bielle occorre garantire la massima leggerezza tenendo conto della necessaria rigidità, avente nella loro progettazione anche delle sollecitazioni dovute alle forze d’inerzia che sollecitano la biella durante il suo moto di rotazione e traslazione (colpo di frusta).

La sezione adottata per il fusto è perciò sempre quella a doppio T, rinforzato in corrispondenza della testa, dove la biella si trova a dover supportare ulteriori sollecitazioni a causa delle forze d’inerzia; massime quando essa forma con la manovella un angolo di 90° detta anche posizione di quadratura.

All’interno dell’occhio (o piede) di biella è sempre montata con interferenza, una boccola di bronzo o di un materiale particolarmente autolubrificante per migliorare l’articolazione con lo spinotto di collegamento dell’elemento traslante. Realizzando così tali obiettivi:

• Miglioramento della lubrificazione;
• Possibilità di sostituzione;
• Diminuzione dell’attrito.

Un eventuale intaglio sul piede di biella, eseguito dopo il montaggio della boccola, consente un miglior accesso dell’olio di lubrificazione all’interno dell’accoppiamento con lo spinotto.

La testa delle bielle veloci è di regola costruita in due parti con il cappello unito al corpo mediante bulloni a gambo calibrato. Questi fungono da centraggio preciso e realizzano l’esatto combaciamento delle parti. All’interno della testa di biella è prevista una boccola di bronzo o di materiale sinterizzato, divisa in due parti lavorate in opera per le bielle aperte. Questa bronzina è ricoperta da materiale antifrizione ed il suo montaggio prevede particolari dispositivi che ne impediscono la rotazione rispetto alla sede. Nella figura iniziale (fig. 1), viene rappresentato il disegno di una biella veloce di forma più comune. 4

Materiali

I materiali principali con cui sono costruite le bielle sono i seguenti:

• Poco sollecitate: C30 UNI 7845;
• Più sollecitate: C50 UNI 7845;
• Veloci soggette ad urti: 39 Ni Cr Mo 3 UNI 7845 bonificato;
• 16 Ni Cr Mo 2 UNI 7846 temprato, rinvenuto;
• 30 Ni Cr Mo 12 UNI 7845; 5

Le caratteristiche dei materiali

Le caratteristiche meccaniche

Prova a trazione

Consiste nel sottoporre un provino del materiale da esaminare ad allungamenti programmati tramite una apposita macchina in grado di misurare lo sforzo applicato per provocare un dato allungamento. Lo sforzo (σ), detto tensione o carico unitario, rappresenta la forza applicata sull’unità di superficie e viene misurata in N/m². Le deformazioni vengono descritte tramite l’allungamento specifico (ε), dato dal rapporto dimensionale tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale (ΔL/L₀).

Ogni materiale presenta un grafico diverso; per esempio, i solidi ionici hanno un modulo di Young molto elevato (ε = ΔL/L₀), per cui avviene la rottura prima di arrivare alla deformazione plastica; alcune gomme e gli elastomeri hanno modulo di Young molto basso, per cui si avranno basse tensioni per grandi allungamenti.

Sopra diagramma ottenuto dall’allungamento di un qualsiasi materiale, in parte macchina per la prova di trazione (fonte csaslirelli)

La durezza e la resilienza

La durezza di un materiale si definisce la resistenza che un materiale oppone a una deformazione permanente della sua superficie provocata dalla penetrazione di un corpo. Per misurare la durezza si usano penetratori di forma opportuna che vengono spinti sulla superficie del materiale in esame, misurando le deformazioni conseguenti. I metodi più usati sono il metodo Brinell, il Vickers e il Rockwell. La durezza determinata con il metodo Brinell è consigliata per materiali molto duri; la Rockwell viene usata sugli acciai temperati.

La resilienza rappresenta la capacità di resistere agli urti. I materiali che presentano elevata durezza presentano anche bassissima resilienza. Consiste nel sottoporre un provino ad un urto causato da una mazza a caduta pendolare. Si lascia cadere la mazza da un’altezza sufficiente a rompere il provino. La misura della resilienza è data dal rapporto tra l’energia consumata nella rottura e la sezione del provino, misurata in Kg · m² / cm².

f Fig. 1 Schematizzazione del sistema Brinell (fonte produzione – metalmeccanica Capelli editore)

MicroDurimetro Vickers (fonte internet)

I materiali ferrosi

I metalli sono caratterizzati dalla particolare struttura cristallina per cui gli elettroni non sono rigidamente associati a nuclei nei rispettivi atomi, ma sono liberi di muoversi. Questa caratteristica determina elevata conducibilità elettrica e termica. A temperatura ambiente si presentano allo stato solido; hanno elevato peso specifico, sono malleabili, duttili e opachi. I metalli puri vengono usati poco, sono più usate le leghe. 7

Caratteristiche e classificazioni degli acciai

Vengono definiti acciai le leghe ferro-carbonio che contengono una percentuale massima di carbonio del 2,1%. È possibile modificare le proprietà meccaniche tramite opportuni trattamenti termici. Oltre a ferro e carbonio possono essere presenti altri leganti: cromo, nichel, molibdeno; vengono aggiunti per impartire determinate caratteristiche speciali.

Trattamento Caratteristiche e scopi

Consiste nel riscaldare l’acciaio, si ha un raffreddamento più o meno rapido.

Tempra Consente di ottenere elevata durezza e grande resistenza meccanica, a scapito della resilienza.

Rinvenimento Viene effettuato per attenuare gli svantaggi della tempra, riscaldamento a temperature relativamente basse. Consente di abbassare la fragilità acquisita all’acciaio dopo la tempra.

Ricottura Si effettua riscaldando a temperature vicine a quelle critiche, mantenendo il tempo necessario per il completamento delle trasformazioni e raffreddamento molto lentamente. Consente di eliminare gli effetti di trattamenti precedenti, nonché le tensioni interne.

Bonifica L’insieme dei trattamenti di tempra e bonifica.

Produzione mondiale

La produzione dell’acciaio prese un improvviso sviluppo solo nella seconda metà del XIX secolo, concentrandosi prevalentemente in prossimità di giacimenti di minerali di ferro, di carbone, di fonti di energia elettrica, o presso i porti, dove più facile è l’approvvigionamento della materie prime. In Europa i massimi centri siderurgici sono situati nella Ruhr (Rep. Fed. Ted.), in Lorena (Francia), in Slesia (Polonia), in Ucraina e negli Urali (URSS), in Inghilterra, negli Stati Uniti e in Giappone.

La produzione mondiale, che ammontava a 37 milioni di t nel 1900, era passata a 83 milioni nel 1913, a 160 milioni dopo la II guerra mondiale e nel 1982 ha superato i 760 milioni di tonnellate.

Veduta esterna degli altiforni di uno stabilimento siderurgico. 8

Fabbricazione dell’acciaio

I più importanti e diffusi procedimenti di fabbricazione dell’acciaio sono sostanzialmente riconducibili a tre tipi fondamentali:

• La fabbricazione al convertitore
• La fabbricazione al forno Martin-Siemens
• La fabbricazione al forno elettrico

1) Fabbricazione al convertitore

Questo procedimento è basato sull’eliminazione dell’eccesso di carbonio della ghisa mediante ossidazione provocata da una corrente d’aria fatta gorgogliare entro il metallo fuso, la cui temperatura non solo è mantenuta, ma anzi aumentata dalle reazioni di ossidazione del carbonio e altri elementi. L’aria pressurizzata viene insufflata dal basso, attraverso fori praticati nel fondo del recipiente.

La carica è costituita da ghisa fusa di opportuna composizione (deve contenere l’1% di manganese e l’1-2% di silicio) che viene introdotta a convertitore inclinato affinché il metallo fuso non penetri nei fori. Quando s’immette l’aria si ha la formazione di ossido ferroso che agisce sul manganese e il silicio: questi, ossidati, danno origine alle scorie. Dopo questa fase inizia la combustione del carbonio, al termine della quale si aggiungono gli opportuni correttivi.

Con il convertitore Thomas è possibile depurare le ghise dal loro contenuto in fosforo. L’aria insufflata può essere arricchita di ossigeno, per aumentare la temperatura ed ottenere un’affinazione maggiore.

2) Fabbricazione al forno Martin-Siemens

La carica è formata generalmente da ghisa e rottami di ferro o da carbonio e rottami. Il rivestimento della suola del forno può essere fatto con refrattari acidi o basici, secondo il tipo di acciaio che si vuole ottenere; nel primo caso però la carica deve avere uno scarso contenuto di fosforo e zolfo; il rivestimento acido dà in ogni caso acciai più pregiati.

I forni Martin-Siemens, la cui capacità raggiunge le 500 t, sono alimentati solitamente con olio combustibile o metano.

3) Fabbricazione al forno elettrico

Le ghise così trattate danno acciai molto affinati, perché le elevate temperature che si possono raggiungere consentono l’eliminazione di elementi, come zolfo e fosforo, in quantità superiori a ogni altro processo.

Talvolta vengono trattate cariche liquide provenienti dal forno Martin. In genere i forni elettrici sono del tipo a elettrodi per l’affinazione, a induzione per la produzione di acciai speciali.

L’operazione successiva alla fabbricazione dell’acciaio è la colata, con la quale l’acciaio fuso viene prelevato dal forno del convertitore. Tale operazione può essere di due tipi: in lingotti o continua.

Nel primo caso l’acciaio viene colato dal forno o dal convertitore in un grosso recipiente (siviera) e da questo successivamente trasferito in forme di ghisa (lingottiere) dove solidifica in lingotti. Nella colata continua l’acciaio viene colato in lingottiere verticali dal fondo mobile, costituito da una barra (falso lingotto), che scende lentamente seguito dal lingotto appena formato.

Per evitare l’ossidazione degli elementi di lega, la colata viene eseguita in siviere successivamente introdotte in serbatoi a vuoto spinto, o collocate entro recipienti chiusi da un diaframma d’alluminio che fonde sotto il getto d’acciaio liquido. 9

Processo di produzione della ghisa e dell’acciaio.

Lingotto estratto dal forno a pozzo Avviamento del lingotto al laminatoio sbozzatore che gli conferisce la forma voluta. 10

Tipi di acciaio

Gli acciai vengono classificati in vari modi, generalmente in base alla loro composizione chimica; tuttavia si distinguono essenzialmente due grandi classi: quella degli acciai di uso generale (acciai semplici) e quella degli acciai speciali.

Acciai di uso generale: classificati a loro volta in dolci, medi e duri in base al tenore di carbonio, sono quelli contenenti solo carbonio come elemento di lega.

Acciai speciali: quelli nei quali sono presenti sensibili elementi vari, che ne modificano le caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche, in modo più o meno rilevante. Gli acciai speciali si possono suddividere in: acciai per costruzione con notevoli capacità meccaniche e di tempra; in questa categoria si distinguono in relazione agli impieghi, cinque classi di acciai:

• Da bonifica (subiscono un trattamento di bonifica (tempra + rinvenimento))
• Da cementazione
• Da nitrurazione
• Autotempranti

Acciai per utensili: sono acciai di notevole stabilità strutturale, tale da assicurare durante il loro uso, anche a temperature elevate, il mantenimento di particolari caratteristiche, in relazione agli impieghi cui sono destinati. Hanno particolare importanza gli acciai rapidi.