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Il Meccanismo Biella-Manovella - STUDIO CINEMATICO - ELEMENTI COSTRUTTIVI DEL MECCANISMO BIELLA-MANOVELLA

meccanica


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DETERMINAZIONE DELLE PERDITE DI CARICO LOCALIZZATE E DISTRIBUITE
Il Meccanismo Biella-Manovella - STUDIO CINEMATICO - ELEMENTI COSTRUTTIVI DEL MECCANISMO BIELLA-MANOVELLA

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

ITIS "E. MATTEI" SONDRIO

Indirizzo meccanica

Il Meccanismo Biella-Manovella

GENERALITA'



Il dispositivo biella-manovella, detto anche manovellismo di spinta rotativa, può definirsi come un sistema articolato, mediante il quale è possibile trasformare il moto rotatorio continuo in un moto rettilineo alt 323i81d ernato e viceversa. Esso trova larghissima applicazione nelle costruzioni delle macchine: sia nei motori alternativi a combustione interna od a vapore, sia nelle macchine operatrici a fluido come pompe e compressori alternativi; la soluzione con testa a croce si adotta poi nelle macchine a doppio effetto o nei motori a combustione interna di grande potenza a semplice effetto.

Facendo riferimento allo schema del meccanismo riportato nella figura sottostante vengono definiti i vari elementi del dispositivo:

-    punto P: rappresenta l'occhio o piede di biella che collega con l'elemento che trasla (testa a croce, pistone o stantuffo); è dotato di moto rettilineo alt 323i81d ernato tra due tra due posizioni estreme Pms (punto morto superiore) e Pmi (punto morto inferiore);

-    punto B: è il punto di connessione tra la testa di biella e il bottone di manovella; è dotato di moto rotatorio;

-    biella: elemento, di lunghezza l (lunghezza di biella), che collega rigidamente i punti P e B; è dotato di moto complesso risultante dalla traslazione dell'estremità P (occhio o piede di biella) e dalla contemporanea rotazione dell'estremità B (testa di biella);

-    manovella: elemento, di lunghezza r (raggio di manovella), che unisce rigidamente i punti B e O; è dotato di moto rotatorio intorno al punto O; il rapporto tra la lunghezza di biella e il raggio di manovella l/r si assume normalmente da 3 a 5;

-    corsa c: è la massima distanza percorsa dal piede di biella tra i due punti morti superiore e inferiore e corrisponde al doppio del raggio di manovella.

STUDIO CINEMATICO

Evidentemente, supposta costante la velocità angolare della manovella, lo studio del moto nel punto B può ricondursi a quello di un punto che si muove di moto circolare uniforme, per cui l'angolo percorso vale:

e la velocità è:

Lo spazio sp percorso dal punto P, mentre a manovella ruota dell'angolo α, vale:

e poiché:

  

ponendo l/r = μ, diventa:

    Derivando lo spazio in funzione del tempo si ottiene la velocità:

e, trascurando il termine sin2α rispetto a μ2, si ottiene:

    Derivando la velocità rispetto al tempo, si ottiene l'accelerazione nel punto P:

ELEMENTI COSTRUTTIVI DEL MECCANISMO BIELLA-MANOVELLA

Bielle

Le bielle sono organi di forma allungata, costituiti da una parte centrale, denominata fusto, alle cui estremità sono situati, opportunamente raccordati, due supporti cilindrici, ad assi paralleli, di diametro generalmente diverso. L'estremità portante il supporto di diametro maggiore è detta testa di biella; tale supporto è generalmente costituito da due semigusci serrati mediante bulloni e recanti all'interno il relativo cuscinetto, in metallo antifrizione, entro cui si articola il perno o bottone di manovella. L'altra estremità, portante il supporto di diametro minore, è detta piede o occhio di biella; anch'essa è munita di apposito cuscinetto in metallo antifrizione entro cui si articola il perno o spinotto dello stantuffo o della testa a croce, materializzandosi, in tal modo, il collegamento a cerniera della biella con l'organo del manovellismo dotato di moto rettilineo alt 323i81d ernativo. Il fusto, infine, presenta, in genere, sezione gradualmente crescente dal piede alla testa, raccordandosi con i relativi supporti.

La forma costruttiva delle bielle dipende dalla velocità di rotazione del motore. Si definiscono lente le bielle di quei motori che non superano i 300 giri/min; veloci le altre.



Bielle lente

Queste bielle, funzionanti a basse velocità, si costruiscono pesanti, con forme e sezioni semplici e lavorazioni non troppo 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), oppure circolare piena o cava. 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 prigionieri o passanti.

I materiali di costruzione utilizzati sono acciaio al carbonio o ghisa sferoidale.

Particolari costruttivi delle bielle lente.

Bielle veloci

Sono quelle bielle che operano con un alto numero di giri (motori da trazione per veicoli industriali, motori d'auto, aerei). Per queste bielle occorre garantire la massima leggerezza tenendo conto della necessaria rigidità, avente 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 supportare ulteriori sollecitazioni a causa delle forze d'inerzia, massime quando essa forma con la manovella un angolo di 90° (posizione di quadratura). 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.

Un eventuale intaglio sul piede di biella, eseguito dopo il montaggio della boccola, consente un miglior accesso dell'olio all'interno dell'accoppiamento con lo spinotto. La testa delle bielle veloci è di regola costruita in due parti con il cappello d'estremità unito al corpo mediante bulloni a gambo calibrato. Questi fungono da centraggio preciso e realizzano, al montaggio, 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 ricoperta da materiale antifrizione ed il suo montaggio prevede particolari dispositivi che ne impediscono la rotazione rispetto alla sede.

Biella veloce con indicazione delle tolleranze consigliate.

Materiali:

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

-      poco sollecitate:               C30 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;                                       

Manovella

La manovella di estremità (cosiddetta poiché calettata all'estremità di un albero) viene convenientemente impiegata sia nelle macchine motrici che nelle  macchine operatrici a fluido, quale organo per la trasformazione del moto da rettilineo alternativo a rotatorio, o viceversa. Essa è costituita da un perno di banco sostenuto da un cuscinetto, da un braccio di manovella e da un perno o bottone di manovella, su cui si articola, rotoidalmente, la testa della biella.

Il dimensionamento della manovella di estremità consiste essenzialmente in un calcolo di verifica, in quanto, una volta determinate le dimensioni del perno o bottone di manovella e del perno di banco in base ai carichi esterni agenti, si disegna la manovella utilizzando i dati pratici forniti dai manuali, con successiva verifica della resistenza delle sezioni pericolose.

Per quel che riguarda i materiali adoperati per la costruzione delle manovelle di estremità, si può osservare che, nel caso di modeste sollecitazioni, possono essere impiegati gli acciai al carbonio da bonifica, mentre per elevati valori delle sollecitazioni devono impiegarsi gli acciai legati da bonifica (al Cr-Mo, o al Ni-Cr, o al Ni-Cr-Mo). Atteso il carattere affaticante delle sollecitazioni, nel primo caso (acciai al carbonio da bonifica) le tensioni ammissibili alla fatica σFam , riferite alle sollecitazioni normali, devono assumersi comprese tra 40 ÷ 60 N/mm2, mentre nel secondo caso (acciai legati da bonifica) le predette tensioni ammissibili σFam posso assumersi comprese tra 120 ÷ 150 N/mm2.

Manovella di estremità.



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