Riassunti meccanica agraria

Organi di trasmissione del moto

Parte prima

Organi di trasmissione del moto sono quegli organi che consentono di trasformare e trasmettere il moto. Gli organi di trasmissione del moto sono: ruote di frizione, ruote dentate, giunti, frizione, differenziale, cambio, parallelogrammo articolato, bilanciere e manovellismo di spinta.

Trasmissione moto rotatorio

La trasmissione del moto può avvenire per contatto diretto tramite ruote di frizione o ruote dentate. Quando non è possibile il contatto diretto e gli alberi (ruote) sono allineate, possono interporsi dei giunti; se invece gli alberi sono paralleli, si utilizzano cinghie o catene.

Le ruote di frizione sono corpi cilindrici unite da una forza N premente. Una ruota detta conduttrice trasferisce il moto per contatto diretto ad un’altra ruota detta condotta. Il senso di rotazione delle due ruote è discorde, una va a destra e una va a sinistra, quindi per ottenere un senso concorde è necessario avere una terza ruota.

Una ruota dentata si ottiene da una circonferenza primitiva per aggiunta o scaviamo un vano e il materiale lo poniamo a fianco formando un dente. Procedendo in questa maniera diamo luogo ad una ruota dentata. Esse riescono a trasmettere circa il 98% della potenza all’altra ruota (quella condotta). La condizione per cui una ruota dentata può ingranarsi con un’altra è di avere uguale modulo (m=p/z o d/z); dove d corrisponde al diametro, p corrisponde al passo che corrisponde alla distanza tra due punti omologhi di 2 denti adiacenti (vicini) e z corrisponde al numero di denti.

Quando due ruote sono distanti, per trasmettere il moto si utilizzano i giunti che possono essere flessibili ossia cinghie e catene, e rigidi ossia il giunto cardanico, giunto di Oldham e il doppio giunto cardanico.

Le cinghie possono essere piatte o trapezoidali. Le piatte sono utilizzate per l’azionamento di vecchie macchine (che non sono più in uso). Esse si avvolgono intorno alla puleggia formando un angolo di 120°; se è di meno la cinghia slitta sulla puleggia. Le cinghie trapezoidali sono più recenti e si utilizzano anche sulle autovetture. Esse sono costituite da sezioni trapezoidali e si agganciano alla puleggia tramite delle sezioni a gola. Avendo una maggiore superficie di contatto con la puleggia consentono la trasmissione del moto con rendimenti molto maggiori rispetto a quelle piatte.

Le catene sono costituite da maglie articolate la cui forma dipende dalla velocità da raggiungere e dai carichi da sopportare.

Il giunto cardanico è costituito da una crocera (ossia due pezzi messi a croce) le cui estremità sono imperniate all’interno di collari di due forcelle rigidamente fissate all’albero da collegare.

Il giunto di Oldham è utilizzato per trasmettere il moto tra due alberi le cui estremità sono molto vicine tra loro (quasi a contatto).

Il doppio giunto cardanico collega una macchina operatrice ad una trattrice. Esso è costituito da due parti inserite a cannocchiale una nell’altra per consentire variazioni di lunghezza. Il giunto è anche omocinetico, ossia trasmette la stessa velocità angolare da un’estremità all’altra. Il giunto deve essere coperto da una protezione costituita da due tubi di gomma scorrevoli l’uno sull’altra e due cuffie all’estremità. Inoltre, i doppi giunti cardanici hanno un limitatore di coppia che serve ad evitare un sovraccarico ai danni della macchina motrice. Essi funzionano a frizione o a trattolini.

La frizione

La frizione serve a collegare due alberi dando la possibilità di interrompere la trasmissione del moto verso l’albero condotto. La frizione, nei veicoli, si interpone nella catena cinematica mediante la quale il moto dal motore raggiunge le ruote dando la possibilità di:

• Arrestare il moto del veicolo pur rimanendo col motore in funzione
• Agire sul cambio

La frizione può essere:

• Innesto a denti
• Frizione a cono

Innesto a denti è un giunto costituito da due mozzi muniti di denti, uno fisso e l’altro scorrevole. La frizione a cono è costituita da due campane coniche di cui una rivestita da materiale di attrito.

Differenziale

Il differenziale serve a compensare le variazioni di velocità angolare tra le ruote motrici. Ne consegue che quando una ruota perde aderenza, cominciando a slittare, il differenziale entra in funzione provocando la riduzione di velocità di rotazione dell’altra sino ad arrestare il moto. Il differenziale è contenuto all’interno della scatola del differenziale situata nell’asse delle ruote motrice.

Cambio

Il cambio è un dispositivo posto a valle della frizione ed ha lo scopo di adeguare la coppia motrice alla coppia resistente ed anche di variare la velocità di rotazione di un ingranaggio condotto rispetto ad un ingranaggio motrice. Il cambio serve a trasmettere contemporaneamente e in maniera inversamente proporzionale velocità e coppia. Nel caso di una trattrice al lavoro l’uso del cambio è rivolto ad adeguare il momento motore alle coppie resistenti. Infatti durante l’aratura le resistenze del terreno aumentano e sarà necessario intervenire sul cambio scalando di marcia, in tal modo si diminuisce la velocità e si ottiene una potenza maggiore. Il cambio è costituito da un albero primario, un albero secondario allineato al primario ed un terzo albero detto di rinvio che è parallelo ai primi due. Agendo sulla leva del cambio si selezionano a secondo delle necessità le coppie di ruote dentate opportune.

Parallelogramma articolato

Il parallelogramma articolato è costituito da un basamento fisso detto ponte, da una biella parallela al ponte, e da due manovelle di uguale lunghezza. Esso trasmette il moto ruotatorio continuo da una ruota all’altra, ad esempio si trasmette il moto tra le ruote di una locomotiva.

Bilanciere

Il bilanciere è costituito da una manovella più lunga dell’altra. La manovella più lunga è chiamata bilanciere il quale compie la traiettoria di un arco. Per ogni giro della manovella più corta si avranno uno o più tragitti di quella lunga. Il movimento del bilanciere è alternato perché il bilanciere non compie mai un giro completo ma compie la traiettoria di un arco.

Manovellismo di spinta

Nel manovellismo una manovella è prolungata all’infinito ed è quindi infinitamente più lunga dell’altra. Come sappiamo l’estremità di questa manovella (di quella più lunga) compie un arco. Se a questa estremità poniamo un pistone o stantuffo e lo facciamo scorrere in un cilindro rappresentiamo ciò che accade nei motori a pistone. Quando la manovella nel suo movimento rotatorio va a coincidere nella stessa direzione della biella, le lunghezze di ambedue una volta si sommeranno ed il pistone raggiungerà l’estremità più lontana della sua corsa, questo è chiamato punto morto superiore (PMS), una volta invece si sottrarranno ed il pistone si avvicinerà al centro di rotazione fino a raggiungere il punto morto inferiore (PMI). La distanza tra PMI e PMS si chiama corsa. Nel motore endotermico la combustione avviene all’interno del luogo ove si sviluppa il fluido attivo capace di dare lavoro meccanico. I gas combusti spingono sul cielo del pistone provocando il suo movimento verso il PMI e grazie al manovellismo di spinta il moto rettilineo alternato del pistone è trasformato in moto rotatorio e continuo dell’albero motore.

Motori termici

I motori termici sono quei motori in cui l’energia meccanica deriva dal calore prodotto dalla combustione del combustibile. Si dividono in: esotermici ed endotermici. Negli esotermici il calore prodotto dalla combustione del combustibile avviene esternamente alla camera dove si sviluppa l’energia meccanica. Un esempio è quello dato dalla pentola sul fuoco perché il calore prodotto dalla combustione del combustibile è data dall’accensione della fiamma, questa energia termica fa cambiare di stato l’acqua che trasformandosi in vapore acqueo fa sollevare il coperchio della pentola cioè si produce lavoro meccanico. Un tipico motore esotermico è quello a vapore. Mentre negli endotermici il calore prodotto dalla combustione del combustibile avviene internamente alla camera dove si sviluppa l’energia meccanica. Un esempio di questi è il classico motore della macchina.

Cicli del motore endotermico

I cicli del motore endotermico sono: il ciclo Otto, il ciclo Diesel (propriamente detto) e il ciclo Sabathé.

• Il ciclo Otto è tipico dei motori che impiegano una miscela aria-benzina. Esso può essere rappresentato su un piano cartesiano ponendo in relazione la pressione nella camera di scoppio, nella y e nella x il volume della camera stessa. Questo ciclo è caratterizzato da un’impennata verticale della pressione al momento dell’accensione. Il tratto che rappresenta l’innalzamento della pressione è verticale perché la pressione è talmente repentina, veloce da verificarsi senza che il pistone abbia il tempo di spostarsi in basso a volume costante.
• Il ciclo Diesel, all’opposto di quanto accade nel ciclo Otto, nel piano cartesiano il tratto che rappresenta la combustione è rappresentato da un segmento orizzontale in quanto la combustione stessa può essere definita lenta al punto che il pistone ha il tempo di spostarsi verso il basso provocando l’aumento del volume della camera di combustione.
• Il ciclo Sabathé. Nei motori che seguono il ciclo Sabathé la combustione avviene a velocità intermedia tanto che il segmento che rappresenta tale fase è inizialmente verticale e poi orizzontale per via dell’aumento del volume della camera dovuto allo spostamento del pistone verso il basso. Questi motori utilizzano gasolio.

Fasi del motore endotermico

In funzione dei giri dell’albero motore necessari per effettuare un giro completo, i motori endotermici si dividono in: motori 4 tempi e motori a 2 tempi.

• I motori 4 tempi completano il loro ciclo in 2 giri dell’albero motore cioè in 4 corse del pistone (due salite e due discese). Le fasi sono: aspirazione, compressione, espansione o scoppio e scarico. Nell’aspirazione il pistone si muove verso il basso ovvero verso il PMI e mentre ciò avviene il fluido ossia il combustibile viene aspirato dal cilindro. Nella compressione il pistone corre verso l’alto ossia verso il PMS comprimendo il fluido precedentemente aspirato fra se stesso e la testata del cilindro. Nell’espansione il pistone spinto dai gas della combustione torna a dirigersi verso il PMI provocando la rotazione dell’albero motore. Nello scarico il pistone torna al PMS e il suo movimento provoca lo scarico dei gas combusti grazie all’apertura della valvola di scarico.
• I motori 2 tempi completano il loro ciclo in un giro dell’albero motore perciò in due corse del pistone. Le fasi sono le stesse del motore 4 tempi ossia aspirazione, compressione, espansione e scarico. Queste 4 fasi fanno le stesse cose in tempi più rapidi.

Trasformazione di energia e rendimento

Nei motori termici l’energia chimica è trasformata prima in calore e poi in energia meccanica sotto forma di moto. Nel caso del motore endotermico a pressioni si individuano 2 rendimenti: termodinamico e meccanico al quale si aggiunge il grado di riempimento impropriamente detto rendimento volumetrico.

• Il rendimento termodinamico può essere espresso mediante il rapporto fra calore oppure lavoro η= q/Q dove q è il Lindicato mentre Q è il Lavoro totale. q è il calore ottenuto dalla trasformazione del combustibile e trasformato in lavoro. Q è il calore totale ottenuto dalla trasformazione del combustibile. Il rapporto è sempre inferiore ad uno perché tutto il calore Q potrebbe essere trasformato in lavoro meccanico, però solo una parte di calore q è trasformata in lavoro meccanico. Infatti una consistente parte del calore di q viene utilizzata per irraggiamento del motore e una parte di calore è perso tramite gas di scarico.
• Il rendimento meccanico è espresso dal rapporto Lutile/Lindicato. Questo rapporto è sempre inferiore ad uno con Lu inferiore ad Li perché solo una parte del lavoro indicato è reso disponibile all’uscita del motore sotto forma di Lutile.
• Il grado di riempimento. Com’è stato detto nel cilindro è aspirata aria o miscela carburata. Se nel cilindro si aspira una quantità di aria o miscela minore di quella massima possibile, il rapporto fra la quantità di aria entrata nel cilindro e quella massima possibile sarà minore ad uno. In condizioni ideali nei quali i fluidi non incontrano resistenza nel loro moto (in questo caso nell’entrare nel cilindro transitando dallo stretto orifizio rappresentato dalla valvola di aspirazione) e nelle quali le valvole di aspirazione operano in maniera assolutamente istantanea il valore di tale rapporto sarebbe uguale ad uno (cioè tutto lo spazio disponibile viene occupato dal fluido). Tuttavia in condizioni reali tutto questo non avviene.

Regime di rotazione e valore assunto dai rendimenti

I rendimenti termici e meccanici e grado di riempimento non hanno un valore costante bensì variano in funzione della velocità di rotazione del motore. Il rendimento termodinamico è minore a bassi regimi, a ragione del lungo lasso di tempo tra un’accensione e l’altra, e in questo lasso di tempo il motore ha il tempo di dissipare calore all’esterno e perciò di perdere energia. L’inverso accade ad alti regimi di rotazione dato il ridottissimo intertempo quindi si disperde meno calore tra un’accensione e la successiva. Il rendimento meccanico aumenta a bassi regimi e diminuisce a quelli alti, infatti a velocità elevate aumenta di numero gli spostamenti del pistone con conseguente dissipazione di calore. Mentre a bassi regimi cioè a velocità basse corrispondono minori movimenti e dunque minore dissipazione di energia. Il gradi di riempimento a bassi regime presenta un valore maggiore in quanto il risultato è vicino all’unità mentre ad alti regimi il suo valore si abbassa fino ad annullarsi. Un esempio è quello della benzina della macchina.

Le curve caratteristiche dei motori termici

Ogni motore termico è caratterizzato da curve della coppia, curve della potenza e curve del consumo specifico. Sul piano cartesiano possono essere disegnate le 3 curve corrispondenti ai valori sopra indicati: coppia (n x m dove m indica il momento di una coppia ed n indica il numero di giri del motore), potenza (P=kW ossia kilowatt), consumo specifico (g/kWh).

I valori assunti dalla coppia del motore sono ricavati sperimentalmente facendo funzionare al banco prova il motore ed esercitando un’azione frenante sull’albero motore. Rilevando la velocità di rotazione dell’albero motore e leggendo sul freno la forza applicata sarà possibile individuare la coppia erogata in quel momento dal motore. Mediante opportuni calcoli nota momento per momento la coppia e la velocità sarà possibile ricavare anche le curve della potenza erogata ad un dato regime di giri. Il consumo specifico si ricava rilevando il consumo di combustibile in corrispondenza del numero di giri durante l’erogazione di una certa coppia.

Le curve della coppia e della potenza segnano un massimo mentre le curve del consumo specifico segnano un minimo. Per velocità superiori a quella corrispondente al valore della potenza massima il motore funziona ma non eroga potenza aggiuntiva, anzi la potenza crolla. Questo qui è il campo di funzionamento improduttivo. (Esempio: quando accelero troppo con la macchina, aumentando il numero di giri fino al limite, la macchina non andrà oltre quella velocità massima e quindi si avrà la rottura del motore.)

Per velocità inferiore a quella corrispondente al valore della coppia massima il motore entra nel campo del funzionamento instabile e basta una resistenza per farlo spegnere. (Esempio della macchina: quando cammino a bassa velocità in una salita se non do la giusta potenza il motore si spegne.) Vi è anche il campo di funzionamento stabile situato sempre all’interno.

Comportamento del motore e valore dei 3 rendimenti

I comportamenti assunti dal motore nei 3 campi sono dovuti all’andamento che i 3 rendimenti assumono a loro volta in ciascuno dei campi stessi. Il rendimento termico precipita a bassi regimi ed è proprio la produzione di potenza ridotta a rendere instabile il motore fino a provocarne facilmente lo spegnimento.