Uomo tra guerra e progresso tesina

Nella Grande Guerra abbiamo visto come i carri armati furono molto importanti per il

combattimento nelle trincee; quest’ultimi erano dotati di un motore a benzina molto

potente costituito da vari organi meccanici. Uno di questi che ha un ruolo molto

importante è l’albero motore o albero a gomito.

L’albero a gomito è un organo meccanico che

tramite la biella trasforma il moto rettilineo

alternato in moto rotatorio. Gli alberi a gomiti, a

differenze delle manovelle che hanno lo stesso

compito, vengono usati quando le forze trasmesse

dalla biella sono elevate, e devono essere sostenuti

da entrambi i lati mediante i perni collocati nei

supporti. Nelle macchine di dimensioni moderate

l’albero a gomiti (figura 5.15) è ottenuto per

fucinatura da una barra cilindrica opportunamente

ripiegata e lavorata solo in corrispondenza dei

perni di banco e di quello sul quale deve articolarsi

la biella ; i due bracci sono obliqui per non

sollecitare troppo il materiale sottoponendolo a

deformazioni eccessive.

Per sollecitazioni di notevole entità sono preferiti gli alberi a gomiti con bracci dritti

(figura 5.14) in modo da ridurre al minimo la distanza fra i supporti di banco e il

perno della biella. E’ opportuno che i bracci abbiano larghezza superiore al diametro

dei perni e presentino dei raccordi per evitare sollecitazioni anomale localizzate in

qualche punto.

Spesso l’albero a gomiti è forato per tutta la sua lunghezza, sia per convogliare il

lubrificante mediante dei tappi sia per motivi di leggerezza. Se la foratura è originata

per motivi di leggerezza , come nelle auto da corsa, il diametro interno deve risultare

d = 0,4·d avendo indicato con d il diametro esterno dell’albero.

i e e

Il dimensionamento degli alberi a gomiti è piuttosto laborioso; ci limiteremo a un

cenno sommatorio, considerando l’ipotesi più semplice di un albero con una sola

manovella posta a uguale distanza dai due supporti di banco.

Dimensionamento.

Esaminiamo perciò lo schema della figura 5.20 e supponiamo che le sole forze agenti

sull’organo meccanico siano costituite dalla spinta trasmessa dalla biella al bottone di

manovella e dal momento torcente M che si oppone al momento sviluppato dalla

t 7 L’Uomo tra Guerra e Progresso

componente tangenziale N .Operata la consueta scomposizione della forza N’

t

trasmessa dalla biella, le reazioni degli appoggi A e B dovute alla componente radiale

N valgono:

r = =

E quelle dovute alla componente tangenziale N t:

= =

Per la presenza di tali forze si ha la seguente situazione.

Il perno in A è un perno di estremità: non è soggetto né a momento flettente né a

momento torcente; in ogni caso, per ragioni di uniformità, normalmente si assumerà

uguale al perno in B.

Nei confronti del perno di manovella, le sollecitazioni

agenti sono rispettivamente:

Un momento flettente: M = ·a;

 f1

Un secondo momento flettente: M = ·a;

 f2

Un momento torcente di intensità: M = ·r;

 t

Due sforzi di taglio, dovuti alle due componenti

 della spinta trasmessa: = N e = N .

r t

Con questi valori si dimensiona il perno di manovella.

Nel perno in B si manifestano le seguenti sollecitazioni:

Un momento flettente: M = ·2·a- N ·a;

 f1 r

Un momento flettente agente nel piano normale,

 di intensità: M = ·2·a- N ·a;

f2 t

 Un momento torcente: M =N ·r ;

t t

 Uno sforzo di taglio T nel piano contenente i

1

bracci della manovella: T =N /2;

1 r

 Uno sforzo di taglio T nel piano normale al

2

primo: T =N /2;

2 t

Con questi valori si dimensiona il perno in B.

Per i bracci , con riferimento alla figura 5.21 , si possono

usare, per un dimensionamento preliminare, le formule

empiriche:

s =(0,6÷0,8) · d h =(1,2÷1,3) · d 8 L’Uomo tra Guerra e Progresso

Verifica

Passando alla verifica , per il braccio CD che sostiene il perno di manovella e soggetto

alle seguenti sollecitazioni:

Un momento flettente: M = ·b;

 f1

Un ulteriore momento flettente, variabile lungo il braccio , il cui valore è:

 M = · r;

f2

Un momento torcente, di intensità costante: M = · b;

 t

Uno sforzo assiale ( ) e uno sforzo di taglio ( ).



Il braccio EF che nel nostro caso è quello più sollecitato ed è quello da verificare, è

soggetto alle stesse sollecitazioni che si manifestano nei confronti del braccio

adiacente, alle quali si aggiunge il momento torcente M , che si oppone al moto di

t

rotazione dell’albero.

Bilanciamento

Il problema del bilanciamento delle forze alterne d’inerzia può essere risolto quando l

organo rotante è un albero a gomiti corredato da più manovelle; la soluzione più

efficace è rappresentata dallo sfasamento delle varie manovelle, che può essere

calcolato con la relazione:

θ(rad)=π τ/z oppure θ°=180 τ/z

in cui z si indica il numero dei cilindri e con τ il numero dei tempi del motore.

Nei motori monocilindrici la forza centrifuga F si può considerare applicata nella

c

mezzeria del piano di articolazione della biella; i suoi effetti possono essere bilanciati

medianti due contrappesi Q posti all’estremità opposta dei bracci (figura 5.22).

L’entità di tali contrappesi si ricava dalla condizione di equilibrio: F =2·m · ·r

2

ω

c q 0,

ovvero:

m· ·r=2·m · ·r

2 2

ω ω

q 0

In questo modo l’albero è bilanciato sia

staticamente che dinamicamente. 9 L’Uomo tra Guerra e Progresso

Per garantire la qualità dell’albero motore, che abbiamo precedentemente descritto,

bisogna ricorrere alle prove non distruttive.

Le Prove non Distruttive sono il complesso di esami, prove e rilievi condotti

impiegando metodi che non alterano il materiale e non richiedono la distruzione o

l'asportazione di campioni dalla struttura in esame.

Sono utilizzati per ricercare i difetti superficiali, subsuperficiali e volumetrici su

alcuni materiali quali i metalli, i compositi, le plastiche, i ceramici, e i metodi più

utilizzati sono: liquidi penetranti, magnetoscopia, ultrasuoni, raggi X e Y.

Ci soffermiamo a descrivere la prova mediante il metodo dei liquidi penetranti.

Liquidi penetranti

Questo metodo risale all’inizio del ‘900 con la tecnica “olio-cenere”, per controllare

le discontinuità sugli assi o sui ganci dei vagoni dei treni, che si è poi progredita

durante questo secolo e usato da tutte le aziende mondiali. Questa tecnica di prova

non distruttiva sfrutta la capacità di alcuni liquidi di penetrare, per capillarità,

all'interno di discontinuità superficiali, quali cricche, porosità, ripiegature, in modo

veloce ed economico e con grande accuratezza, su tutte le tipologie di materiali,

acciai, leghe di rame, leghe di alluminio, vetro, plastica ad altro, senza alcune

limitazione della forma dei componenti stessi. La bassa tensione superficiale e la

buona bagnabilità di questi liquidi, ne assicurano la penetrazione anche all'interno di

discontinuità sottilissime. I penetranti includono sia prodotti rossi visibili in luce

bianca, sia prodotti fluorescenti; in quest’ultimo caso l’indicazione è evidenziata sotto

luce ultravioletta, detta anche luce Wood.

Indipendentemente dal tipo di penetrante utilizzato, l'ispezione con liquidi penetranti

prevede sei passaggi essenziali:

1. Preparazione della superficie:

Le superfici del prodotto da testare devono essere accuratamente pulite ed

asciugate prima di sottoporre il materiale al controllo, poiché la scoperta dei

difetti dipende dalla possibilità di insinuarsi del penetrante in quella che può

essere anche solamente una spaccatura microscopica. È chiaro che non vi può

essere alcuna penetrazione se la discontinuità è già piena di olio, sporcizia,

acqua, vernice, ossido o di altri residui. La tecnica di pulitura da usare è

determinata dal tipo di residuo presente. Di seguito sono riportati alcuni tipi di

pulizia che vengono eseguiti sul pezzo:

10 L’Uomo tra Guerra e Progresso

- Pulizia a freddo con solventi a rapida evaporazione: consiste nello

spruzzare un solvente su una superficie sporca, saturando quindi l’area

da esaminare, e dopo un’attesa di 10/30 secondi pulire l’area con uno

straccio, prima che il solvente evapori.

- Pulizia a caldo con detergenti acquosi.

- Pulizia meccanica: per togliere vernice, ossidazione, incrostazioni o altro

in superficie, può essere necessario l’impiego di sabbiatura, di spazzola

di filo di alluminio o inox o molatura.

Pulizia della superficie

2. Applicazione del penetrante:

Dopo aver pulito ed asciugato il pezzo, il liquido penetrante deve essere

applicato in modo tale da formare un film che ricopra un'area di almeno 13 mm

oltre la zona da ispezionare. Può essere adottato un qualsiasi metodo in grado

di assicurare la perfetta copertura della zona in esame, quale ad esempio per

immersione, per spruzzatura o a pennello. Questo film deve essere mantenuto

per un tempo sufficiente per permettere la massima penetrazione del penetrante

all'interno di ogni discontinuità affiorante in superficie. La temperatura dei

liquidi e delle superfici dovrebbe essere compresa fra i +10° e +38°C.

Applicazione del penetrante

11 L’Uomo tra Guerra e Progresso

3. Rimozione del penetrante in eccesso:

Successivamente occorre rimuovere dalla superficie del pezzo il penetrante in

eccesso. In alcuni casi sarà sufficiente pulire con uno straccio o risciacquare

con acqua, in altri casi sarà necessario l'utilizzo di un solvente. L'uniforme

eliminazione del penetrante in eccesso è necessaria per permettere un'ispezione

efficace, tuttavia occorre evitare un eccesso di rimozione del penetrante, cosa

che potrebbe compromettere l'esame. Esempi di rimozione del penetrante sono:

- Penetranti lavabili con acqua;

- Penetranti rimovibili con solvente.

Rimozione del penetrante

4. Asciugatura

Le parti devono essere ben asciugate prima di applicare il rivelatore o

sviluppatore. L’asciugatura può avvenire naturalmente in aria libera o

accelerata mediante aria compressa filtrata, con stracci puliti e asciutti o con

soffio di aria calda anche in fornetti a ricircolazione. In quest’ultimo caso l’aria

non deve superare la temperatura di 71°C ed il pezzo la temperatura di 38°C.

5. Applicazione del rilevatore e "sviluppo":

La funzione dello sviluppatore è quella di assorbire ed attirare verso la

superficie il penetrante rimasto nelle discontinuità dopo il lavaggio e di

espanderlo in superficie con conseguente ingrandimento anche delle

indicazioni relative a piccolissime discontinuità. Lo sviluppatore consente la

visibilità delle indicazioni rosse in contrasto col sottofondo bianco, oppure

luminose giallo-verdi sotto luce ultravioletta, per i penetranti fluorescenti. Il

tempo di sviluppo dovrebbe essere compreso tra 10 e 30 minuti.

12 L’Uomo tra Guerra e Progresso

Applicazione del rilevatore

6. Ispezione:

Dopo un sufficiente tempo di "sviluppo" la superficie viene esaminata

visivamente per cogliere le indicazioni fornite dal penetrante fuoriuscito dalle

discontinuità affioranti in superficie. Questa osservazione deve essere

effettuata in un idoneo ambiente a luminosità controllata. Per il metodo con

penetranti rossi una luce bianca; per il metodo con penetranti fluorescente

l'ispezione viene effettuata in un'area oscurata e la superficie viene illuminata

per mezzo di una lampada di Wood che permette al penetrante di emettere luce

visibile che identifica così le difettosità affioranti. Qualora, per qualsiasi

motivo, sia necessario riprocessare pezzi già sottoposti ad ispezione con liquidi

penetranti occorre prima rimuovere lo sviluppatore e sgrassare il pezzo. La

ripetizione del processo dovrebbe essere limitata ad una sola volta. È proibito

applicare penetranti fluorescenti su pezzi già controllati con penetranti rossi.

Risultato con il metodo dei liquidi penetranti Risultato

fluorescenti.

con il metodo dei liquidi penetranti rossi.

13 L’Uomo tra Guerra e Progresso

Purtroppo come in tutte le tecniche che possono essere applicate vi sono dei vantaggi

e degli svantaggi:

Vantaggi dell’esame con Liquidi Penetranti:

- È applicabile a tutti i materiali;

- È relativamente di facile esecuzione ed interpretazione;

- È eseguibile anche su pezzi o particolari aventi scarsa accessibilità;