VERIFICA E IPOTESI DI MIGLIORAMENTO PER UN ALBERO MOTORE DI DIESEL AERONAUTICO

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Camillo Natale
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1 VERIFICA E IPOTESI DI MIGLIORAMENTO PER UN ALBERO MOTORE DI DIESEL AERONAUTICO Candidato: Alessandro Piccaglia Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. F. Persiani Prof. Ing. G. Caligiana Dott. Ing. S. Cassani Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 22/23-17 dicembre 23

2 PROGETTO DEL CRF/UNIVERSITÁ DI BO Installazione motore 1.9 jtd FIAT su un velivolo Portare il propulsore dalla potenza di 15 CV a 24 CV Aumento delle sollecitazioni sui componenti Verifiche precedentemente effettuate: Il pistone regge una pressione massima in camera di 18 bar La testata regge una pressione massima in camera di 24 bar

3 OGGETTO DELLO STUDIO ANALISI, LIMITI E VERIFICA DELL ALBERO MOTORE DEL 1.9 jtd DESTINATO ALL IMPIEGO AERONAUTICO

FLUSSO DI LAVORO Determinazione dei carichi agenti sull albero Analisi vibrazionale del sistema Caratterizzazione del materiale a carichi d urto Costruzione del

Armoniche Componente Fx 8 6 4 2-36 -27-18 -9 9 18 27 36 5-2 Ordine,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3,5 Ordine 4 Ordine 4,5 Ordine 5 Ordine

4 FLUSSO DI LAVORO Determinazione dei carichi agenti sull albero Analisi vibrazionale del sistema Caratterizzazione del materiale a carichi d urto Costruzione del modello CAD dell albero con Solid Edge Analisi ad elementi finiti con Design Space Determinazione dei limiti di sollecitazione Newton MPa Tao Armoniche Componente Fx Ordine,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3,5 Ordine 4 Ordine 4,5 Ordine 5 Ordine 5,5 Ordine 6T1 Ordine 6,5 T2 Ordine 7 Ordine 7,5 T3 Ordine 8T4 Ordine 8,5 Ordine 9 Ordine 9,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 11 Gradi Ordine 11, Ordine 12 giri/min Lloyd fc Lloyd ft

5 DEFINIZIONE DEL CARICO Il CRF ha fornito l andamento delle pressioni in camera Tramite l analisi del manovellismo si determinano la sollecitazioni inerziali Forze di pressione sulla manovella Forze totali d'inerzia Fy [N] Fy[N] Fx [N] -6 Fx [N] Diagrammi polari

6 DEFINIZIONE DEL CARICO Con la combinazione dei diagrammi polari si ottiene: Forze agenti sul manovellismo 1 Fy [N] Fx [N] L andamento totale del carico sul singolo gomito

ANALISI DELLE VIBRAZIONI Si è realizzato un foglio di calcolo Excel per l analisi delle vibrazioni torsionali secondo il metodo standard certificato Lloyd: Riduzione ad albero equivalente Relazioni

7 ANALISI DELLE VIBRAZIONI Si è realizzato un foglio di calcolo Excel per l analisi delle vibrazioni torsionali secondo il metodo standard certificato Lloyd: Riduzione ad albero equivalente Relazioni empiriche e simulazioni FEM Determinazione dei primi modi propri di vibrare Determinazione delle componenti armoniche dei momenti eccitatori Costruzione del diagramma degli sforzi di torsione MPa Metodo tabellare dell Holzer Tau Tao Armoniche giri/min Ordine,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3,5 Ordine 4 Ordine 4,5 Ordine 5 Ordine 5,5 Ordine 6 Ordine 6,5 Ordine 7 Ordine 7,5 Ordine 8 Ordine 8,5 Ordine 9 Ordine 9,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 11 Ordine 11,5 Ordine 12 Lloyd fc Lloyd ft

8 Il componente è sollecitato da carichi di URTO RIPETUTO Le proprietà di resistenza dell acciaio variano con la velocità di applicazione del carico seguendo il seguente grafico logaritmico: Materiale utilizzato: 38MnSiVS [N/mm^2] E-5 1E-5,1,1,1, σ r Sigma Sigma B Sigma Sigma σ s S Velocità Velocità di di deformazione deformazione media media [s^-1] [s^-1]

12 Deformazione prima del picco di carico L intervallo temporale

9 La velocità di deformazione media è stata calcolata tramite il software Design Space v.12 Deformazione prima del picco di carico L intervallo temporale tra le due condizioni di carico è di,295 s Deformazione all apice del picco di carico ε. ε t. = ε 116,7 mm mm s

10 Nota la velocità di deformazione media, si ricavano dal grafico i valori delle sigma di rottura e snervamento del materiale soggetto al carico impulsivo [N/mm^2] s¹,1,1,1 1 1 Velocità di deformazione media [s^-1] σ r σ s =' =' 117 N/mm² 645 N/mm² Il limite di fatica per la verifica è calcolato a partire da questi valori utilizzando le formule del Niemann

11 Calcolo in Design Space Ad ogni gomito sono applicati i carichi radiale e tangenziale calcolati in precedenza.

RISULTATI CALCOLO DESIGN SPACE (499675 nodi e 323455 elementi ) Carico: pressione di

12 RISULTATI CALCOLO DESIGN SPACE ( nodi e elementi ) Carico: pressione di 16 bar in camera Risultato: Coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a due

13 Carico: pressione di 19 bar in camera RAGGIUNGIMENTO DEL LIMITE STRUTTURALE Limite strutturale raggiunto. Fattore di sicurezza intorno a 1,5

14 CONCLUSIONI Limite strutturale del componente è stato raggiunto con un carico pari a 19 bar in camera L ALBERO MOTORE PUO ESSERE UTILIZZATO NEL CAMPO AERONAUTICO PURCHE NON SI SUPERINO 19 BAR IN CAMERA DI COMBUSTIONE pari ad una potenza di circa 2 CV

15 CONSIDERAZIONI Il carico applicabile è ulteriormente limitato da altri componenti del motore, primo dei quali il pistone che può al massimo reggere 18 bar in camera.

SVILUPPI FUTURI: La situazione attuale MPa MPa 4 4 35 35 3 3 25 25 2 2 15 15 Tau Armoniche Tao Armoniche Tao Armoniche 1 1 5 5 1 2 3 4 1 2 3 4 giri/min giri/min Notevole picco in avviamento Necessità

16 SVILUPPI FUTURI: La situazione attuale MPa MPa Tau Armoniche Tao Armoniche Tao Armoniche giri/min giri/min Notevole picco in avviamento Necessità di tenere il minimo del motore al di sopra dei 11 giri/min Invecchiamento del materiale polimerico del giunto elastico Ordine,5 Ordine,5 Ordine 1 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3 Ordine 3,5 Ordine 3,5 Ordine 4 Ordine 4 Ordine 4,5 Ordine 4,5 Ordine 5 Ordine 5 Ordine 5,5 Ordine 5,5 Ordine 6 Ordine 6 Ordine 6,5 Ordine 6,5 Ordine 7 Ordine 7 Ordine 7,5 Ordine 7,5 Ordine 8 Ordine 8 Ordine 8,5 Ordine 8,5 Ordine 9 Ordine 9 Ordine 9,5 Ordine 9,5 Ordine 1 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 1,5 Ordine 11 Ordine 11 Ordine 11,5 Ordine 11,5 Ordine 12 Ordine 12 Lloyd fc Lloyd fc Lloyd ft Lloyd ft

17 Proposta di eliminazione del giunto elastico Irrobustendo opportunamente l albero elica, che risulta il tratto più sollecitato, si ha questo andamento delle tensioni dovute alla vibrazione torsionale MPa Tau Tao Armoniche giri/min Ordine,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3,5 Ordine 4 Ordine 4,5 Ordine 5 Ordine 5,5 Ordine 6 Ordine 6,5 Ordine 7 Ordine 7,5 Ordine 8 Ordine 8,5 Ordine 9 Ordine 9,5 Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 11 Ordine 11,5 Ordine 12 Lloyd fc Lloyd ft La sollecitazione sul tratto più critico del sistema è accettabile

18 Eventuali sforzi di torsione pericolosi possono essere smorzati con uno Smorzatore a contrappeso pendolare Posizionato nei tratti più sollecitati e dimensionato per smorzare le frequenze critiche

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