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BIELLA - Bielle lente, Bielle veloci

meccanica


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BIELLA - Bielle lente, Bielle veloci

BIELLA

Biella

La biella è un'asta che unisce il bottone di manovella, cui è collegato mediante la sua estremità chiamata 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 differiscono essenzialmente dalla sezione del fusto o stelo che unisce le due estremità (rettangolare, ellittica, a doppio T) 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 con le relative considerazioni tecnologiche utili al disegnatore. Le bielle si possono dividere in lente e veloci:

 Bielle lente



Sono quelle operatrici in macchine lente funzionanti con velocità massime di circa 300 giri al minuto (compressori, locomotive, motric 828j92i i alternative, motrici diesel). 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 fissato al corpo mediante bulloni passanti o prigionieri.

 Bielle veloci

Sono quelle operatrici con alto numero di giri (motori da trazione per veicoli industriali, motori d'auto, aerei). Per queste bielle occorre garantire la massima leggerezza congiunta alla necessaria rigidità, tenendo conto 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 sopportare ulteriori sollecitazioni a causa delle forze d'inerzia, massime quando essa forma con la manovella un angolo di 90°. All'interno dell'occhio (o piede) di biella è sempre montata con interferenza una boccola di bronzo o di materiale sinterizzato autolubrificante per migliorare l'articolazione con lo spinotto di collegamento dell'elemento traslante. Si realizzano così i seguenti obiettivi:

-         diminuzione dell'attrito;                                                                                                                                

-         miglioramento della lubrificazione;

-         possibilità di sostituzione.

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 di regola ricoperta di materiale antifrizione ed il suo montaggio prevede particolari dispositivi che ne impediscono la rotazione rispetto alla sede. Nel disegno iniziale, che rappresenta il disegno di una biella veloce di forma più comune, sono riportate delle indicazioni di massima per le tolleranze dimensionali e quelle geometriche.

Materiali:

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

-      poco sollecitate:               C30 UNI 7845;

-      per locomotive:                C40 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;                                                

 Caratteristiche generali

La biella, elemento centrale del cinematismo, è articolata con un'estremità (piede di biella) sul pistone, tramite un perno detto spinotto (fig. 4.1a). L'altra estremità (testa di biella) è collegata alla manovella con coppia rotoidale, costituita da cuscinetto e perno (bottone di manovella). Il corpo centrale della biella, di sezione circolare cava o più spesso, a doppio T, è detto fusto. La manovella fa parte di un albero a gomiti. Nei motori a doppio effetto la biella non è articolata direttamente sul pistone, ma sul perno della cosiddetta testa a croce, costituita da due pattini che, con le rispettive guide, realizzano una coppia prismatica. Nello studio del manovellismo si farà sempre riferimento al caso dell'articolazione diretta della biella sul pistone, giacché nell'altro caso lo stelo che collega la testa a croce col pistone non fa che trasmettere rigidamente un moto di traslazione. Dal punto di vista geometrico i dati essenziali sono quelli quotati sul disegno:

-         lunghezza della biella l, tra gli assi dei perni d'estremità;

                                                                          fonti consultate:

-               Meccanica delle macchine , progettazione di organi delle macchine (volume 2); di Giorgio Cagliero; edizioni Zanichelli/Esac

-              Dal progetto al prodotto (volume 0); di L. Caligaris, S. Fava e C. Tommasello; edizioni Paravia

-              Dal progetto al prodotto (volume 1); di L. Caligaris, S. Fava e C. Tommasello, edizioni Paravia

-              Dal progetto al prodotto (volume 2); di L. Caligaris, S. Fava e C. Tommasello, edizioni Paravia

VERIFICA DI UNA BIELLA VELOCE

Un motore a carburazione 4 cilindri, 4 tempi, con Pmax pari a 40 bar ha le seguenti caratteristiche:

alesaggio: D = 84mm

lunghezza della biella: L = 220mm

raggio della manovella: r = 52mm

numero di giri: n = 4000giri/min

massa: m = 0,85kg

La biella ha una sezione a doppio T con le dimensioni riportate in figura:

CALCOLO l



l = r / L = 52 / 220 = 0,236

VERIFICA A CARICO DI PUNTA AL PMS

N = Pmax * S - Fi

Fi = m * ω^2 * r * (1 + l)

ω = (2π * n) / 60 = (2π * 4000) / 60 = 419rad/sec

Fi = 0,85 * 419^2 * 0,052 * (1 + 0,236) = 9594N = 959,4 daN

N = 40 * 55,4 - 959,4 = 1257,3 daN

S = (π * D^2) / 4 = 55,4 cm^2

L0x = L                                                                                  L0y = 0,7 * L

ρx = radq ( Jx / S)                                                            ρy = radq ( Jy / S) 

Jx = (1/12 * 14 * 24^3) - ( 2 * 1/12 * 4 * 10^3) = 15461,3mm^4

Jy = (2 * 1/12 * 7 * 14^3) + (1/12 * 10 * 6^3) = 3381,3mm^4

S (biella) = (2 * 14 * 7) + (6 *10) = 256mm^2

ρx = radq ( Jx / S) = radq (15461,3/256) = 7,77mm

lx = L0x/ρx = 220/ 7,77 = 28,31

ρy = radq ( Jy / S)  = radq (3381,3/256) = 3,63mm

ly = L0y/ρx = (0,7 * 220) / 3,63 = 42,4

La situazione più pericolosa si ha nell'inflessione laterale.

VERIFICA CON METODO OMEGA

ω * N/S(biella)  ≤ σadm

Acciaio: 38 Ni Cr Mo 4

σs = 850N/mm^2

σr = 1000N/mm^2

ll = π * radq (E/ σs) = = π * radq (206000/ 850) = 48,9

ly/ll = 42,4/48,9 = 0,867             curva     1/ω = 1/0,7          ω = 1,43

 ω * N/S(biella)  ≤ σadm

1,43 * (1257,3/256) = 1,43 * (12573/256) ≤ 1000/9

70,2 < 111,1 (verificato)

VERIFICA IN QUADRATURA

σ = ω * N'/S(biella) + Mfmax/Wf  σadm

N' = N/cosa0

N = P * S

P= 1/3 * Pmax * radq (1 + l^2)

N = 1/3 * 40 * radq (1 + 0,236^2) * 55,4 = 759daN = 7590N

tg a0 = r/L = l    a0 = arctg l = 13,3°

N' = N/cosa0 = 7590/cos13,3° = 7800N

Mfmax = (m * ω^2 * r * L)/9 * radq 3 = (0,44 * 418,6^2 * 0,052 * 220)/ 9 * radq 3 =

= 56581N * mm

m = ρ * Vb = 7,85 * 0,0563 = 0,44kg

Vb = S(biella) * L = 256 * 10^-4 * 220 * 10^-2 = 0,0563dm^3

ω = (2π * n) / 60 = (2π * 4000) / 60 = 419rad/sec

Wx = Jx/Ymax = 15461,3/12 = 1288,4mm^3

σ = ω * N'/S(biella) + Mfmax/Wf  σadm

σ = 1,43 * (7800/256) + (56581,4/1288,4) ≤ σadm

σ = 43,5 + 43,9 ≤ 111,1

87,4 ≤ 111 (verificato)



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