Progetto sollevatore PDF

Preview

Summary

Progetto completo con dimensionamento di un sollevatore per motoveicoli...

Description

Specifiche tecniche

o o o o o o

Massimo carico sollevabile = 400 kg Dimensioni pedana = 1825x660 Altezza massima di sollevamento = 690 mm Altezza minima della struttura chiusa = 250 mm Sistema di sollevamento = cric a bottiglia manuale Fervi Tempo massimo di sollevamento a pieno carico = 60 s

Introduzione Con la seguente relazione tecnica si riassume il dimensionamento di un sollevatore per motoveicoli seguendo la normativa tecnica EN 1493:2010, che comprende il calcolo della resistenza strutturale e la scelta delle sezioni opportune per i seguenti componenti: pedana, forbici di sostegno, telaio superiore ed inferiore, travi trasversali per gruppo idraulico, perni e saldature e di tutti gli elementi di appoggio. Si è valutato inoltre il corretto posizionamento di tutti gli elementi in esame, andando alla ricerca di quali fossero le posizioni ottimali per il fissaggio del pistone idraulico e di tutti i suoi accessori per il funzionamento. Il sistema è stato analizzato schematizzandolo su un sistema piano, con l’ausilio del software Matlab in cui è stato implementato un programma che desse in output le reazioni vincolari in ogni vincolo, così da schematizzare poi ogni singolo elemento con il software Ftool e visualizzare i vari grafici delle sollecitazioni con la conseguente determinazione dei punti più sollecitati. Di conseguenza effettuarne il dimensionamento. Come verrà spiegato nel capitolo successivo, si è determinato che la posizione più critica e più sollecitata è quando struttura è ancora chiusa, abbassata, dove il pistone eroga la forza più alta. Man a mano che si alza, la le forze in gioco diminuiscono, dato che cambiano le varie angolazioni. Come materiale è stato scelto un acciaio S235, in modo tale da rendere il progetto il più economico possibile, essendo l’acciaio da costruzione con minore resistenza meccanica e quello con maggiore disponibilità in commercio. In figura è riportato il disegno di uno spaccato completo dell’intero sollevatore.

Modellizzazione cinematica e dinamica

Dimensionamento della struttura Il sistema è stato analizzato applicando i carichi che sono stati trattati nel capitolo precedente. Le forze determinate sono state poi implementate nel software Ftool, schematizzando ogni trave con le relative dimensioni. Partendo dalle travi più lunghe, ovvero quelle delle due forbici, si è trovato che il punto più sollecitato è quello in corrispondenza del pistone, nel caso in cui la struttura è ancora tutta abbassata, per poi diminuire man a mano che si alza. Di seguito viene riportata una schematizzazione dove si possono vedere i vincoli e le forze che agiscono sulla struttura e il diagramma del momento flettente della stessa:

Una volta trovato il punto più sollecitato con i relativi valori di momento flettente e sforzo assiale, trascurando lo sforzo di taglio, si è passato al dimensionamento della trave stessa con annessa sezione. Si è optato per un profilo a L per facilitare la dinamica del sistema e il montaggio. Il momento flettente lo si considera passante per il baricentro, ortogonale alla dimensione più lunga, come riportato in figura:

Travi angolari a lati disuguali e spigoli tondi

h= 100 mm b= 50 mm a= 9 mm Mf = 2900 Nm

𝜎 =

UNI 5784-66



𝑑 = 157,16 𝑀𝑃𝑎





𝜎 = = 10,13 𝑀𝑃𝑎 

𝜎 = 𝜎 + 𝜎 = 167,29 𝑀𝑃𝑎 𝜎 ≤





𝑛 =





= 1,404

Per quanto riguarda l’asta su cui preme il pistone, si riporta qui in seguito il diagramma del momento flettente, ritenendo trascurabili gli sforzi di taglio e lo sforzo normale. La forza totale è stata divisa il in due parti equamente, dato che vi sono due staffe incernierate che la ripartiscono dal pistone sul profilo scatolato, che viene scelto quadrato per facilitare le varie saldature che in seguito dovranno essere eseguite. Come si può notare il punto più sollecitato è ovviamente quello centrale. Il momento flettente lo si considera agente nel baricentro della sezione.

Tubi scatolati a sezione quadrata 𝜎 

a = 70 mm

=

 

EN10210

𝑑 = 148,64 𝑀𝑃𝑎

s = 4 mm 𝜎 

Mf = 3416 Nm

≤







𝑛 = 



= 1,58

Si procede con il dimensionamento delle staffe che collegano il pistone alla struttura, andando a farne la verifica nella sezione più sollecitata, che è la più distante dal pistone (SEZ. BASE in figura), dove si ha momento flettente massimo, ma anche uno sforzo normale uno di taglio. Forma e schematizzazione sono riportate in figura:

𝜎 = 

𝑀𝑓 𝑑 = 153,06 𝑀𝑃𝑎 𝐼𝑛

𝜎 =  = 4,16 𝑀𝑃𝑎 𝜏 = 𝜎 = (𝜎 + 𝜎 ) + 3𝜏 = 172,57 𝑀𝑃𝑎 Verifica rifollamento:

𝑝 =



  





= 41,06 𝑀𝑃𝑎

𝜎 ≤

≤ 1,35 160 MPa

𝑝 = 87,66 𝑀𝑃𝑎





𝑛=





= 1,36

L’asta trasversale su cui poggia il sistema idraulico avrà le stesse dimensioni dell’asta superiore che collega lo stelo del pistone alla struttura, dato che le forze che agiscono su di esso saranno uguali e contrarie a quelle che agiscono sull’asta sovrastante. Si sceglie quindi anche in questo caso un profilo scatolato a sezione quadrata EN10210 di lato 70 mm e spessore 4 mm.

Segue il dimensionamento del telaio inferiore, che ha come vincolo geometrico quello di avere una sezione a U in modo tale da poter far scorrere le ruote all’interno di esso. Si nota come il punto sottoposto a maggiore sforzo sia quello dove viene ancorato il gruppo idraulico, dove agiscono un momento flettente (che si considera agente nel baricentro della sezione), uno sforzo normale e uno di taglio. Viene rappresentata la relativa schematizzazione con diagramma della sollecitazione:

Travi UPN UNI 5680-73 h= 80 mm b= 40 mm a= 5 mm Mf = 3200 Nm

𝜎 =





𝑑 = 1335,87 𝑀𝑃𝑎 



𝜎 = = 26,01 𝑀𝑃𝑎 𝜏 = = 8,19 𝑀𝑃𝑎 

𝜎 = (𝜎 + 𝜎 ) + 3𝜏  = 162,5 𝑀𝑃𝑎 𝜎 ≤





𝑛 =





= 1,44

Il telaio superiore, su cui graveranno solo i carichi dovuti al sostenimento della pedana con il motoveicolo sopra di essa, avrà come vincoli, oltre alla forma della sezione che dovrà essere anch’essa ad U per poter contenere le rotelle di scorrimento della struttura, le dimensioni che dovranno essere uguale al telaio sottostante per motivi di simmetria strutturale. Si procede quindi imponendo le stesse dimensioni di sezione e alla verifica di resistenza, dopo averla schematizzata e trovato i relativi punti critici:

Travi UPN UNI 5680-73

𝜎 =

h= 80 mm





𝑑 = 65,3 𝑀𝑃𝑎



𝜏 = = 2,63𝑀𝑃𝑎

b = 40 mm



𝜎 = 𝜎  + 3𝜏  = 65,35𝑀𝑃𝑎

𝑎 = 5 𝑚𝑚 Mf = 750 Nm 𝜎 ≤





𝑛 =





= 3,6

Risulta quindi che la sezione imposta è abbondantemente verificata.

Il telaio inferiore sarà chiuso trasversalmente, tramite saldatura, con un tubo scatolato a sezione quadrata EN10210 di lato 70 mm e spessore 4 mm. Per il dimensionamento della pedana, si è assunto il caso della piastra rettangolare appoggiata sui quattro lati, seguendo la teoria delle piastre di Tymoschenko, imponendo inoltre, come da normativa una pressione specifica che non superasse i 50 N/𝑐𝑚 . 𝑞 = 50 N/𝑐𝑚 𝐴=

 

= 11772 𝑚𝑚

dove 𝑄 è il carico massimo sopportabile dalla struttura 𝑄 = 1,5 Q g = 5886 N

𝐴 < 𝐴  = 1500 𝑚𝑚 𝑥 580 𝑚𝑚 = 870000 𝑚𝑚

Si assume quindi l’area effettiva della pedana dato che è maggiore di quella minima richiesta. Dalle tabelle relative alla partizione dei momenti di Tymoschenko si assumono 𝛼 = 0,02202 e 𝛽 = 0,05994 Considerando uno spessore piastra di 2,5 𝑚𝑚

𝑀 = 𝛼 𝑞 𝑙  = 50,11 𝑁𝑚𝑚

𝑀 = 𝛽 𝑞 𝑙  = 136,41 𝑁𝑚𝑚 𝜎 = 𝜎 =

   

𝑀  𝑀

   

sono momenti per unità di lunghezza dove 𝑙 è lato minore della pedana

= 48,11 𝑀𝑃𝑎 = 130,96 𝑀𝑃𝑎

utilizzando il criterio di Tresca bidimensionale si ottiene

𝜎 = 𝜎  − 𝜎𝑥𝑥𝜎 𝑦𝑦 + 𝜎  = 114,73 𝑀𝑃𝑎 

𝜎 ≤ 𝑆

𝑛 =



= 2,04

Risulta quindi verificata la resistenza della pedana avendo assunto uno spessore di 2,5 𝑚𝑚 di

acciaio mandorlato in modo da garantire un attrito maggiore con i pneumatici.

Andando ora a valutare quelli che sono gli elementi di appoggio dell’intera struttura per il fissaggio a terra, si andranno a dimensionare due sezioni. La prima è un profilo scatolato, che viene saldata alla traversa scatolata che si è accennato prima che serve per chiudere il telaio, sottoposto a momento flettente, taglio e momento torcente dovuto all’altra sezione di appoggio trasversale.

Tubi scatolati a sezione rettangolare

𝜎 

a = 30 b = 60



=

 

𝜏 = = 4,44𝑀𝑃𝑎

s=3

𝜎 

EN10210

𝑑 = 70,68 𝑀𝑃𝑎 

𝜏 =  





= 24,25 𝑀𝑃𝑎

= 𝜎   + 3(𝜏 + 𝜏 ) = 86,4 𝑀𝑃𝑎

Mf = 343 Nm Mt = 224 Nm

𝜎 

≤ 𝑆



𝑛 =  = 2,71 

Per il secondo profilo si assume un quadrato pieno dove poi andrà eseguito un foro filettato per poter inserire un piedino di appoggio. In questo caso si avrà momento flettente (da considerare applicato nel baricentro della sezione) e sforzo di taglio:

Profilo a sezione quadrata EN 10025 

L = 25 mm

𝜎 

Mf = 224 Nm

𝜏 = = 3,58 𝑀𝑃𝑎

= 

𝜎 



𝑑 = 86,02 𝑀𝑃𝑎

= 𝜎  + 3𝜏 = 86,24 𝑀𝑃𝑎

𝜎≤ 

𝑆

𝑛=





= 2,72

Dimensionamento gruppo idraulico Il gruppo idraulico da installare sulla struttura viene scelto in funzione della forza massima che il pistone deve erogare a pieno carico e delle sue dimensioni. Come trattato precedentemente, si è determinato che la forza massima richiesta nel caso più sfavorevole è di 34680 N. La normativa impone che il gruppo idraulico sia dimensionato per resistere al doppio della pressione e portata e di esercizio, quindi dal catalogo online dell’azienda Fervi, non basterà scegliere un pistone con portata massima di 5 ton, ma si dovrà optare per il successivo da 10 ton con diametro del pistone di 40 mm.

Portata = 10 ton Altezza min = 230 mm Alzata = 150 mm

Cric a bottiglia Fervi

8012667000608

Regolazione = 80 mm Dimensioni base = 125 x 110 mm Diametro del pistone Ø = 40 mm

Una volta determinata la forza massima e conoscendo il diametro del pistone, ci si può ricavare la pressione massima all’interno del cilindro idraulico:

𝑃 =

𝐹 = 27,59 𝑀𝑃𝑎 𝐴

Il pistoncino sui cui agisce la camma ha diametro pari a 10 mm, quindi conoscendo la pressione interna del cilindro, si può ricavare la forza necessaria che la camma deve esercitare sul pistoncino per garantire quella pressione: 𝐹 = 𝑃 𝐴 = 2167,5 𝑁 Conoscendo ora questa forza, se moltiplicata per il braccio ortogonale ad essa della camma, si può determinare coppia che deve esserci sull’albero per garantire quella forza e di conseguenza quella pressone nel cilindro: 𝑀 = 𝐹 𝑏 = 216750 𝑁𝑚𝑚 Tale coppia sarà generata dalla forza che l’operatore applica sul pedale, moltiplicata per il relativo braccio, che è di 450 mm. La normativa impone che questa forza non deve superare il valore di 50 kg nel caso più sfavorevole. 𝑀 = 𝑀

𝑀 = 𝐹 𝑏 da cui si ricava la 𝐹 essendo l’unica incognita 𝐹 =

𝑀 = 4881,66 𝑁 𝑏

Per riportarla in kg forza basterà dividere per la costante di gravità g

𝐹=

𝐹 = 49,09 𝑘𝑔 𝑔

La camma viene saldata su un albero di cui ora si effettuerà il dimensionamento. Viene riportato lo schema con i relativi vincoli e carichi. Di conseguenza viene riportato anche il diagramma del momento flettente. Si considera anche lo sforzo di taglio:

Si considera un albero a sezione circolare piena costante. Taglio 𝑇 = 1310 𝑁𝑚𝑚

Momento flettente 𝑀 = 281700 𝑁𝑚𝑚

Assumendo come diametro resistente 𝑑 = 30 𝑚𝑚 𝜎 = 160 𝑀𝑃𝑎

𝜎 = 𝜏=

𝑀𝑓 𝜋 𝑑 32

4𝑇 3𝐴

𝜎 = 𝜎  + 3𝜏  = 139,8 𝑀𝑃𝑎

Considerando 𝑛  = 1,5 sul materiale

acciaio da costruzione S235

𝜎 ≤





= 160 𝑀𝑃𝑎

𝑆 = 235 𝑀𝑃𝑎

→

Per la verifica al rifollamento del foro si va a verificare che:

𝑃 =

 

≤ 1,35 𝜎 

da cui →

𝑃 =

     

= 212,03 𝑀𝑃𝑎 < 1,35 𝜎

La camma avrà un profilo curvo come spiegato del paragrafo dell’analisi cinematica. La sua sezione più sollecitata sarà quella più lontana dal pistoncino, la più vicina all’albero, dove il momento flettente sarà massima (considerato applicato nel suo baricentro). Vi è presente uno sforzo di taglio anche se minimo. In figura è rappresentato il profilo della camma con la sua sezione critica. Segue la verifica di resistenza del materiale.

𝑀 = 𝐹 𝑏 = 216750 𝑁𝑚𝑚 𝜎 

=

 

𝑑 = 64,22 𝑀𝑃𝑎 

𝜏 = = 4,82 𝑀𝑃𝑎 

𝜎 = 𝜎  + 3𝜏 = 64,76 𝑀𝑃𝑎

Considerando 𝑛 = 1,5 sul materiale

acciaio da costruzione S235

→

𝜎 ≤





= 160 𝑀𝑃𝑎

𝑆 = 235 𝑀𝑃𝑎

Per il pedale si assume come profilo di trave una sezione a L, per facilità di montaggio. Tale pedale deve avere lunghezza pari a 450 mm come precedentemente calcolato, in modo tale da garantire la coppia necessaria all’albero e di conseguenza alla camma. Viene riportata in seguito la schematizzazione con la forma del pedale, che dovrà essere così per motivi di ingombro. Si considera ovviamente il caso peggiore, ovvero quello in cui si ha il massimo carico da parte dell’operatore con una forza di 50 kg. Con una forza maggiore agirà una valvola di sfogo che farà calare la pressione all’interno del cilindro, in modo che tale limite non venga mai superato. Inoltre si può visualizzare nella figura successiva il diagramma del momento flettente.

h= 45 mm b= 30 mm a= 5 mm Mf = 26500 Nmm

𝜎 =





Considerando 𝑛 = 1,5 sul materiale

acciaio da costruzione S235

→

𝑑 = 151,01 𝑀𝑃𝑎

𝜎 ≤





= 160 𝑀𝑃𝑎

𝑆 = 235 𝑀𝑃𝑎

Infine, il gruppo idraulico viene attrezzato di un pedale per diminuire la pressione all’interno del cilindro, in modo che lo stelo del pistone scenda quando si vuole riportare la struttura nella posizione iniziale ad altezza minima. Tale pedale viene posizionato adiacente a quello per salita della struttura e non necessita di un dimensionamento dato che su di esso agiscono forze minime.

Dimensionamento perni Per il dimensionamento dei perni è stato utilizzato il software Ftool, con il quale sono stati schematizzati e visualizzati i vari diagrammi delle sollecitazioni, e di conseguenza individuati i punti più sollecitati. Il primo perno che si andrà a dimensionare è quello che ancora il pistone alle staffe del profilo scatolato quadrato, dove la sollecitazione è data dalla forza esercitata dal pistone. Dal diagramma si può notare come il punto più sollecitato sia quello in mezzeria, dove vi è solo momento flettente:

Assumendo come diametro resistente 𝑑 = 18 𝑚𝑚 𝜎 =

vite classe 8.8

→

𝑀𝑓 = 424,41 𝑀𝑃𝑎 𝜋 𝑑 32

𝜎 ≤





𝑆 = 0,8 𝑅 = 640 𝑀𝑃𝑎 Vite UNI 5738 8.8 𝐿 = 75 𝑚𝑚

𝐿𝑆 = 54 𝑚𝑚 𝐵 = 21 𝑚𝑚 𝐷 = 18 𝑚𝑚

Procedendo, si effettua il dimensionamento dei perni delle aste, che ancorano le due forbici al telaio inferiore e superiore. In seguito è riportata schematizzazione con il relativo diagramma del momento flettente:

𝜎 = 𝜏=

𝑀𝑓 𝜋 𝑑 32

4𝑇 3𝐴

𝜎 = 𝜎  + 3𝜏  = 245,71𝑀𝑃𝑎 Vite UNI 5738 8.8 𝐿 = 67 𝑚𝑚

𝐿𝑆 = 25 𝑚𝑚 𝐵 = 42𝑚𝑚

𝐷 = 16 𝑚𝑚

vite classe 8.8

→

𝜎 ≤





𝑆 = 0,8 𝑅 = 640 𝑀𝑃𝑎

Il perno centrale, quello che collega tra loro le due forbici nella loro mezzeria, è sollecitato da una forza verticale che ne provoca momento flettente. Di seguito è riportata la schematizzazione ed il relativo diagramma delle sollecitazioni:

Forza verticale 𝐹 = 5872 𝑁

Momento flettente 𝑀 = 26000 𝑁𝑚𝑚

Assumendo come diametro resistente 𝑑 = 16 𝑚𝑚 𝜎 = Considerando 𝑛 = 1,5 sul materiale acciaio da costruzione S235

→

𝑀 = 64,65 𝑀𝑃𝑎 𝜋 𝑑 32 𝜎 ≤





𝑆 = 235 𝑀𝑃𝑎

𝑛=





= 2,42

Infine, si effettua il dimensionamento dei perni di sicurezza, che garantiscono l’equilibrio della struttura sollevata a pieno carico anche nel caso in cui l’impianto idraulico non è più in funzione, così da evitare qualsiasi incidente. Viene riportata la sua schematizzazione con i relativi carichi e diagramma della sollecitazione nel caso di maggior carico:

Forza verticale 𝐹 = 27564 𝑁

Momento flettente 𝑀 = 172000 𝑁𝑚𝑚

Assumendo come diametro resistente 𝑑 = 26 𝑚𝑚 𝜎 = Considerando 𝑛 = 1,5 sul materiale

acciaio da costruzione S235

→

𝑀 = 99,68 𝑀𝑃𝑎 𝜋 𝑑 32 𝜎 ≤





𝑛=





= 1,57

𝑆 = 235 𝑀𝑃𝑎

Per la verifica al rifollamento del foro si va a verificare che:

𝑃 =





≤ 1,35 160 𝑀𝑃𝑎

da cui →

𝑃 =

 

   

= 212,03 < 1,35 160 𝑀𝑝𝑎

La normativa impone che tutti i leveraggi manuali non debbano avere una corsa di ritorno superiore a 15 cm. Per evitare ciò quindi è stato installato un perno che fungesse da finecorsa, in modo tale da fermare la discesa del pedale sotto tale distanza massima qualora l’azione esercitata dall’operatore continuasse. Tale perno è stato dimensionato per resistere al peso intero di una persona di 100 kg. Il pedale viene schematizzato con il software Ftool, con il quale viene determinata l’entità delle reazioni vincolari del perno finecorsa, schematizzato dalla cerniera di sinistra. Con questa azione, viene sollecitato con un momento flettente (agente nel baricentro della sezione) e con uno sforzo di taglio.

(a)

(b) Schema pedale con carico (a) e con diagramma momento flettente (b)

Schema perno fine corsa con carico

Schema perno fine corsa con diagramma del momento flettente

Forza verticale 𝐹 = 𝐹  + 𝐹  = √932 + 1350 = 1640 𝑁 Momento flettente 𝑀 = 197000 𝑁𝑚𝑚
...