Appunti di Calcolo e progetto di sistemi meccanici - parte 1

Appunti di

CALCOLO E PROGETTO DI SISTEMI MECCANICI

SISTEMA MECCANICO

Un sistema meccanico è un insieme di componenti (meccanici, elettrici, elettronici) che svolge una determinata funzione. Esempi:

• Nel campo della misura: bilancia di precisione
• Sistema elettromeccanico in cui una leva meccanica viene tenuta in equilibrio da una molla. Una volta che si applica il peso all’estremità (a una celle), occorre far passare una corrente per mantenere un equilibrio. Dalla misura della corrente si ha una misura indiretta della forza meccanica applicata.
• Nel campo del collaudo strutturale: banco per prove a fatica (progetto di sistema) costituito da componenti meccanici, elettrici, elettronici ed idraulici. Servono ad applicare in modo preciso dei carichi sinusoidali per prove a fatica.
• Sistemi meccanici per la produzione: presse idrauliche ed elettroniche integrate, macchine per lo stampaggio di lamiere, macchine per la pressofusione.

Fatta questa introduzione possiamo individuare i requisiti da soddisfare:

1. Prestazione: Garantire che il sistema meccanico lavori con la precisione voluta nei tempi voluti. I parametri della prestazione sono per es. la precisione, velocità di risposta, ripetibilità del sistema meccanico per garantire le prestazioni nel tempo e le uniformità dei risultati.
2. Durata del sistema: Durata nel tempo ossia durabilità strutturale, resistenza nel tempo e sicurezza strutturale.

Il campo della prestazione vuol dire partire dalla concezione del sistema meccanico nel suo complesso. Le fasi della progettazione si possono riassumere nel modo seguente:

1. Concezione sistema fisico. Se voglio una grande velocità di risposta e precisione per un banco prova a fatica, utilizzare come mezzo di trasporto per la potenza fluida (banco pneumatico) forse e la scelta migliore perché l'aria è elastica rispetto a un fluido non comprimibile (es. l’olio). Un banco prova servoidraulico è una scelta migliore.
2. Progettazione funzionale che coinvolge la scelta dei componenti (es. attuatore idraulico), scelta dei parametri (es. la precisione), verifica prestazioni con simulazioni o prototipi.

TRASMISSIONE DI POTENZA

Introduco un aspetto fondamentale sulla trasmissione di potenza nei circuiti oleodinamici. Ragionando sull'esempio abbiamo una pompa idraulica che genera una certa potenza idraulica, ossia una portata d'olio a una certa p_t uscita dal motore. Voglio mettere in luce le variabili dipendenti e indipendenti nella trasmissione di potenza.

Riferiamoci queste variabili agli elementi fondamentali:

• Pompa:
  • Carico: M_te
  • Velocità: W_p
  • Potenza: M_tW_p
• Circuito:
  • Δp
  • Q
  • QΔp
• Motore:
  • N_m
  • W_m
  • M_mW_m

Per la pompa, la variabile di carico è il momento torcente o coppia per farla girare (il motore elettrico fornisce questa coppia). Per il circuito la variabile di carico è il salto di pressione tra monte e valle della pompa, questo Δp viene fornita dalla pompa che trasferisce la variabile di carico della potenza dall'albero al fluido, ossia all'olio.

Infine ho la coppia motrice disponibile all'albero del motore che fa girare l'utilizzatore. La variabile di velocità è la velocità angolare e la portata, la variabile indipendente è la N_m decisa dall'utilizzatore.

Per l'albero del motore idraulico è attaccato un organo per sollevare i pesi a secondo di esso si sente una coppia resistente all'albero e questo è l'input per le variabili di carico oleodinamico e questo è l'input per le variabili di velocità e W_p. Perché se fisso la tabella F non conosco Q e W_m nella potenza non ho variabili inop.

TRASMISSIONE OLEODINAMICA, qualunque sia la coppia resistente all'albero se ho deciso W_p e vincolata anche W_m.

- Dal concetto di rigidezza richiama la trasmissione con un albero di trasm. della potenza meccanica in cui se c'è decisa la W_m indipendentemente dalla coppia resistente (fino a dove il motore primo riesce) è decisa la velocità alla quale ruotare, l'utilizzatore va, W_m non dipende dalla coppia resistente più freno.

L'albero del motore idraulico è più un'cola? NO decisa W_p, qualunque sia M_p, W_m, non cambia il motivo per cui possiamo dichiarare tutto ciò dipende dal tipo di macchine che si usano.

aggiorno la formula di

(f) f=0.316/Re^1/4

(frw) λ λ per superficie

lavata dall'olio liscia

le superfici interne presentano una certa scabrezza relativa

(qualificazione ruv. interna del tubo)

ε rame = 0.002 mm ε gomma = 0.03 mm

localizzate in corrispondenza di raccordi/gomiti/strozzature

Δht = λL/D * v²/2g

z = m

coeff. di perdita

valutato sperimentalmente

o da manuali

pompe volumetriche

analizziamo le pompe volumetriche più comunemente utilizzate

nei circuiti oleodinamici.

pompa ad ingranaggi

prevede due ruote dentate che

ingranando tra loro spostano un

certo volume di olio per ogni giro

alla mandata della pompa

schema costruttivo

principio di funzionamento: isolare ad ogni giro un certo volume di olio e spostarlo alla mandata vincendo la contropressione. questa macchina ha un certo rendimento volumetrico. quando esprimo l’olio alla mandata dove c’è un ambiente ad alta pressione (220 bar per es.), partendo dall’aspirazione che si trova a bassa pressione del serbatoio, avremo dei trafilamenti di olio dalle tenute fra la testa (caren) e lo statore e lungo l’asse della macchina tra le due ruote dentare. Tutto questo implica vuoti in esercizio. abbiamo l’effetto volumetrico dato dallo spostamento alla mandata del volume d’olio contenuto nel vano tra due denti.

A regime di riferimento al disegno:

1_d = Φ

MOTORE ELETTRICO

FANSATO

TUBO DI

MANDATA

A regime

q₁ = k (T_regime - T_ambiente) S

COEFF.

DI SCAMBIO

• S = PARETE INTERNALE LAMBITA DALL'OLIO

A 6 ÷ 10 W/m²K CONVEZIONE NATURALE

A 20 W/m²K CONVEZIONE FORZATA

SE CI SONO VENTILATORI

S = TROPPO GRANDE SI USA UNO SCAMBIATORE DI CALORE

ACQUA-OLIO CON K = 100 ÷ 150 W/m²K → VS. IL SIMBOLO È

RAPPRESENTATO IN ALTO.

PER FARE CIRCUITI OLEODINAMICI CHE SERVANO ALLE MACCHINE

AUTOMATICHE O A VEICOLI DOBBIAMO AGGIUNGERE ALTRI

ELEMENTI. NEL CIRCUITO VISTO POSSO FAR ANDARE UN CILINDRO

MA NON SO COME FARLO TORNARE INDIETRO PER ES.

VALVOLE DIREZIONALI

SERVONO PER INDIRIZZARE LA PORTATA D'OLIO GENERATA DALLA

POMPA VERSO DETERMINATE UTENZE. L'IDEA È: PASSIAMO UN

CILINDRO, VOGLIAMO FARLO STARE FERMO SFILANDO VERSO DX

PER SPINGERE O VERSO SX PER TIRARE SU QUALCOSA.

P = PRESSURE

T = TANK

CILINDRO IDRAULICO

PISTONE

SISTEMA DI

COMANDO

MANUALE

VALVOLA

DIREZIONALE 4/3

POSIZIONE CENTRALE:

L'OLIO ENTRA NELLA VALVOLA

ED ESCE VERSO IL SERBATOIO

GLI ATTACCHI A E B SI

COLLEGANO AL CILINDRO:

SPOSTO VERSO DX CON UNA

SPOLA INTERNA IL PISTONE

ESCE O ESCE:

P → A E B → T

SPOSTO A SX

TORNA INDIETRO, IL PISTONE

TORNA DENTRO, → TAGLIA Q!

VALVOLA DI

SICUREZZA

PER SOVRAPPRESSIONI

A QUANDO SCOPPIA

NO IRIZIONI (M. FUNZION)