Meccanismo biella-manovella

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.

MATERIALI DI COSTRUZIONE

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.

PROPRIETÀ MECCANICHE

Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale di

resistere alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a

deformarlo.

Le prove meccaniche più utilizzate per studiarle sono la prova di

resilienza e la prova di trazione.

TRAZIONE: Questa sollecitazione avviene quando le forze applicate

al corpo sono dirette lungo l’asse del corpo, con direzioni opposte e

tendono ad allungarlo.

RESILIENZA: è la capacità di un materiale di resistere alla rottura

quando subisce un urto.

PROVA DI TRAZIONE

La prova di trazione consiste nel sottoporre una determinata

provetta metallica a uno sforzo gradualmente crescente di trazione

sino a pervenire alla rottura tramite una macchina universale.

CON la prova di trazione si perviene a indici che riguardano

l’elasticità, la deformabilità e la resistenza dei materiali, e si ricava,

un grafico in un sistema di assi cartesiani che ha in ascisse gli

allungamenti subiti dalla provetta e in ordinate i carichi crescenti

applicati ( grafico carichi – deformazioni ). Lo sforzo applicato

sul materiale, detto tensione o carico unitario, rappresenta la forza

2

applicata sull’unità di superficie e viene misurata in N/mm . Le

deformazioni vengono descritte tramite l’allungamento specifico

ε

( ), dato dal rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza

iniziale (∆L/l )

0

GRAFICO CARICHI – DEFORMAZIONI PER UN ACCIAIO DOLCE.

Ogni materiale

carichi unitari [ N/mm ]

2 presenta un grafico

diverso; molto

E

Rm dipende dal

modulo di Young o

Ru F modulo di elasticità

C

ReH σ

E= = Tgα

ReL D ε

B

Rp Infatti in un

materiale con

PLASTICITA modulo di Young

PLASTICITà

ELASTICA basso la rottura

-

ELASTO può avvenire prima

A ]

Allungamenti [ L/l di arrivare alla

0 deformazione

plastica.

Come possiamo notare il comportamento del materiale è

caratterizzato da diverse fasi descritte di seguito.

FASE ELASTICA A-B

La fase elastica è la prima fase nella quale il comportamento del

materiale rispetta la legge di Hooke, ossia la legge di

proporzionalità diretta fra i carichi e gli allungamenti. Le

deformazioni che avvengono in questa fase sono reversibili perché il

materiale riprende le dimensioni iniziali al cessare del carico

applicato. Il carico unitario massimo di elasticità è Rp ed è uguale

al rapporto fra il carico applicato (Fp) e l’area della sezione iniziale

della provetta: Fp

Rp = ₀

S

FASE ELASTO – PLASTICA B - C – D

Aumentando il carico unitario oltre Rp la provetta si allunga come

indicato dall’arco B-C, vale a dire si allunga più di quanto previsto

dalla legge di Hooke. Nella parte iniziale dell’arco B-C, gli

allungamenti continuano a essere elastici, successivamente a

questi allungamenti elastici si sovrappongono piccoli allungamenti

permanenti ( allungamenti plastici ) che divengono consistenti

quando si perviene al punto C. Segue un periodo critico per la

provetta con bruschi allungamenti permanenti ( fase di

snervamento ) dove le fibre del materiale cominciano a rompersi,

sino a che si perviene al punto D del grafico.

La fase di snervamento ha 2 carichi unitari: uno superiore (ReH) e

l’altro inferiore (ReL) e sono uguali a :

FeH FeL

ReH = ; ReL = [N/mm²]

₀ ₀

S S

FASE PLASTICA D - E - F

Quest’ultima fase è caratterizzata da 2 tratti, il tratto DE in cui si ha

l’incrudimento del materiale con l’aumento della durezza e della

resistenza alla deformazione fino al punto E, che corrisponde al

carico unitario di rottura detto anche resistenza a trazione (Rm).

Successivamente si perviene al fenomeno della strizione

consistente in un rapido allungamento della provetta, in una zona

casuale, superiore alla velocità di incremento del carico per cui il

grafico presenta un andamento verso il basso fino ad arrivare alla

rottura corrispondente al punto F.

Il punto F del grafico corrisponde al carico unitario ultimo che è dato

dal rapporto del carico ultimo con la sezione ultima(dove è

avvenuta la strizione e quindi la diminuzione della sezione).

Fu

Ru = Su

Il coefficiente di strizione denominato anche “ contrazione

percentuale dopo la rottura” si indica con la lettera Z ed è dato da:

₀−Su

S

Z = ₀

S

Un altro dato importante che qualifica un materiale è

l’allungamento percentuale A%, definito come rapporto tra

l’allungamento permanente Lu - L₀ subito dalla provetta dopo la

rottura e la lunghezza iniziale L₀, moltiplicato per cento:

₀

Lu−L

A% = 100

₀

L

(Macchina universale per la

prova di trazione)

Esempi di grafico

carico- deformazioni

per materiali con

comportamento diverso

In base al

tipo di

trattamento termico che influiscono molto sulla resistenza di un

acciaio, e al modulo Young del materiale abbiamo diversi grafici in

cui, in alcuni di essi è addirittura assente la fase di snervamento

IL grafico studiato precedentemente riguarda il

comportamento di una provetta in acciaio dolce sottoposta

a trazione. RESILIENZA

La resilienza è la proprietà meccanica di resistenza a una

sollecitazione dinamica o di urto. La resilienza è una proprietà molto

importante, infatti, deve essere elevata per tutti gli organi di

macchine soggetti a urti. La misura si effettua su piccoli campioni

del materiale da esaminare che con la prova di resilienza vengono

distrutti. La resilienza determina la durezza di un materiale, infatti,

più la resilienza è bassa e più il materiale e fragile.

La misura della resilienza di un materiale viene effettuata con il

pendolo di Charpy. Il pendolo di Charpy è costituito da una

mazza disposta con il suo baricentro G all’altezza H, in questa

posizione la mazza possiede un’energia potenziale Am data dalla

relazione: Am = M × g × H [J]

M = massa della mazza (Kg) 2

g = accelerazione di gravità (9.81 m/s )

H = altezza caduta mazza (m)

La mazza, una volta sganciata, scende rapidamente, trasformando

la sua energia potenziale in energia cinetica. Giunta nel punto più

basso della corsa dove è posizionato il provino per la misura della

resilienza, la mazza colpisce e rompe in un solo colpo la provetta e

risale dall’altra parte sino all’altezza h. A questa altezza la mazza

possiede ancora l’energia potenziale residua Ar:

Ar = M × g × h [J]

La differenza di energia Am – Ar è stata assorbita nella rottura della

provetta ed è data da:

La = Am – Ar = MgH – Mgh = Mg ( H – h ) [J]

Il rapporto tra l’energia consumata nella rottura (La) e la sezione

del provino (S₀) costituisce il valore della resilienza e si misura in

2

J/cm : La

K = ₀

S

RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEL PENDOLO DI CHARPY

G H

h FOTO PENDOLO DI CHARPY

Fino ad adesso ci siamo concentrati sulla descrizione delle

proprietà meccaniche e in particolare sulla prova di trazione

e sulla prova di resilienza, ma non abbiamo dato la

definizione di altre sollecitazioni meccaniche e altre

proprietà dei materiali che sono comunque importanti. Darò

la definizione di tali elementi attraverso un testo in inglese

“PROPERTIES OF MATERIALS”.

PROPERTIES OF MATERIALS

All materials have a range of properties that are important for the

solution of problems.

The criteria for selecting the materials are: mechanical properties,

thermal properties, electrical properties, resistance to chemicals.

The mechanical properties is as a material reacts to a force that

can produce plastic deformation and elastic. This force per unit is

called “Stress” and the displacement per unit length is called “

Strain”.

Mechanical properties are most populare:

-Tensile strength, the ability to resist stretching or pulling forces.

-Compressive strength, the ability to resist a pushing force.

-Bending strength, the ability to resist bending action.

-Shear strength, the ability of a material to resist sliding forces.

-Torsional strength, the ability to resist twisting forces

-Elasticity, the ability of a materials to return to its original shape

when loaded and unloaded.

-Plasticity, the ability of materials to be changed permanently in

shape.

-Hardness, is the resistance to wear and abrasion.

-Toughness, is the resistance to sudden impact.

Thermal properties include:

-Thermal conductivity, the ability of a materials to transmit heat

energy

-Thermal exspansivity change of the material when the

temperature changes.

Electrical properties include:

-Eletrical conductivity, the ability to allow electrical current to

pass metals are good conductors and plastics and ceramics are bad

conductor

-Eletrical resistivity, is the ability of a material to resist the

passage of courrent.

Ritornando al discorso del meccanismo Biella – manovella possiamo

trovare la loro applicazione nei motori a combustione interna. Sono

dei motori in cui avviene una reazione di combustione ( all’interno

della camera di combustione del cilindro) tra un carburante

( benzina, gasolio, metano) e un comburente ( aria ). L’energia dei

prodotti della combustione i gas combusti, è superiore all’energia

del carburante e del comburente, quindi, si manifesta un’elevata

temperatura e pressione che vengono trasformati in lavoro

meccanico provocando la spinta e lo spostamento dei pistoni

all’interno sei cilindri del motore che si muovono di moto rettilineo

alternativo.

La reazione di combustione all’interno della camera di combustione

può avvenire per accensione comandata tramite una scintilla

trasmessa da una candela ( motore a benzina ), o per accensione

spontanea attraverso l’alta temperatura dei gas provocata dalla

compressione del pistone ( motore diesel ). Tuttavia l’accensione

della reazione di combustione del motore spinge il pistone verso il

PMI così avviene la conversione del moto da rettilineo alternato in

rotatorio uniforme attraverso la biella-manovella e la conseguente

rotazione dell’albero motore.

Grazie all’invenzione del motore a combustione interna, molte

attrezzature che usano la combustione come armi, munizioni,

veicoli motorizzati furono prodotti in serie e in grandi quantità per

far fronte alla prima guerra mondiale, la prima grande guerra di

massa. Il primo conflitto mondiale, infatti, diede un enorme impulso

alla produzione industriale. Caduta la speranza di risolvere con una

guerra lampo le sorti del conflitto, fu chiara a tutti che una guerra di

logoramento sarebbe stata vinta da che avesse meglio armato i

suoi soldati. Se prima i trasporti erano garantiti da muli e cavalli ora

con la prima guerra mondiale prevalgono gli autocarri con motore a

combustione interna,

CARRI ARMATI, DIRIGIBILI, AEREI

L’uso del motore a combustione interna portò all’invenzione del

carro armato, u veicolo corazzato capace di muoversi nei terreni più

accidentati, dotato di mitagliatrici o cannoni in grado di sfondare le

linee nemiche.

Furono inventati anche i dirigibili usati per la prima volta dai

tedeschi e gli aerei britannici che erano biposto perché un soldato

pilotava e l’altro era l’addetto alla mitragliatrice rivolta verso l’elica

corazzata. LO SCOPPIO DELLA GUERRA

Il pretesto per lo scoppio fu l’assassinio in Serbia dell’arciduca

Francesco Ferdinando d’Austria con tutta la famiglia. L’Austria

intimò un ultimatum alla Serbia, con il quale chiedeva di collaborare

alla ricerca dei responsabili del delitto. In questo modo venendo