UN IMBIELLAGGIO PER UN MOTORE DA PETROLIERA

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1 STUDIO DI MASSIMA DI UN IMBIELLAGGIO PER UN MOTORE DA PETROLIERA Tesi di Laurea di: Relatore: ROCCO CAPUANO Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI SAGGIANI Correlatori: Prof. Ing. VINCENZO DAL RE Prof. Ing. GIANMARCO Dott. Ing. CRISTINA RENZI

2 INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA A PENTAPENNE Costituita da cinque bielle complanari lavoranti sullo stesso perno di manovella; In particolare si ha : - 1 biella blade (o coltello) centrale; - 4 bielle fork (o forchetta) alternate a 45 >>>

3 CARATTERISTICHE DEL MOTORE Struttura a pentapenne Cinque blocchi da 12 cilindri per un totale di 60 cilindri Pressione massima di 19 MPa Alesaggio pistone 142 Cilindrata pari a 102,6 lt Potenza massima superiore ai CV Raggio di manovella 54 Albero forgiato in acciaio da bonifica Giri massimi : 5600 rpm Massa complessiva motore contenuta in 1 t

4 SVILUPPO DELLA TESI Dimensionamento del perno di manovella; Dimensionamento della struttura a cannocchiale delle bronzine di testa di biella; Dimensionamento delle cinque bielle; Studio e assemblaggio del pentapenne; Verifica delle bielle a carico di punta; Dimensionamento del perno di banco e delle maschette con relativo studio dei contrappesi per l equilibramento delle forze centrifughe; Realizzazione dell albero a gomiti; Verifica a torsione del gruppo;

5 DIMENSIONAMENTO DEL PERNO DI MANOVELLA Si determina : spessore minimo biella blade; spessore minimo rebbi bielle fork; distanza minima tra bielle; LUNGHEZZA UTILE MINIMA IPOTESI : si vuole mantenere la stessa rigidezza K dell albero del DB605 (motore aeronautico); lavorando su una sezione K 1/ f D 4 /l 3 trasversale circolare In definitiva si ottiene : - LUNGHEZZA UTILE MINIMA DIAMETRO MINIMO 86

6 STRUTTURA A CANNOCCHIALE DELLE BRONZINE DI TESTA DI BIELLA Cuscinetti a sostentazione fluidodinamica costituite da tre metalli: - antimonio (internamente) - bronzo (parte centrale) - acciaio (esternamente) spessore di soli 3 mm Struttura a cannocchiale: Da determinare, dimensioni, numero e disposizione dei fori per la lubrificazione 10 bronzine sovrapposte struttura molto compatta diametro compreso tra 85,74 e 100,74 mm larghezza massima 119,66 mm

7 DIMENSIONAMENTO DELLE CINQUE BIELLE Dati di partenza : larghezza minima interasse di 180 mm carico massimo di circa 300 kn diametro di testa e piede di biella Richieste : Struttura cava Spessore corpo di 1 mm più nervature PRIMA BOZZA DI BIELLA FORK Problematiche: Soluzioni: Interferenza pistoni, ingombro radiale >>> interasse portato a 250 mm Struttura inadeguata >>> occorre un altra geometria

8 DIMENSIONAMENTO DELLE CINQUE BIELLE Si giunge alla seguente struttura quasi definitiva della biella fork più esterna: Si procede realizzando le altre bielle fork e la biella blade centrale; Occorre realizzare gli scavi laterali sulle bielle per evitare collisioni nel manovellismo; Realizzare le nervature interne ed esterne al corpo di biella; Successivamente si andrà a verificare le bielle a carico di punta;

9 STUDIO E ASSEMBLAGGIO DEL PENTAPENNE Si assemblano le bielle sulla struttura a cannocchiale Si apportano modifiche alle bielle per evitare interferenze Determinato l angolo minimo tra due bielle adiacenti di si eseguono gli scavi laterali definitivi; occorre allungare nuovamente l interasse da 250 a 280mm; GEOMETRIE DEFINITIVE DELLE BIELLE

10 BIELLE DEFINITIVE Materiale : 34NiCrMo 16 Lavorazione : elettroerosione Massa complessiva di soli 9,37 kg; Caratteristiche comuni: interasse 280 mm d i = 41mm (diametro interno piede di biella) d e = 51mm (diametro esterno piede di biella) b = 40mm (larghezza piede di biella) Biella blade: D i = 115,74mm (diametro interno testa di biella); De = 125,00mm (diametro esterno testa di biella); s = 15,34mm (spessore testa di biella) M12x1,25 (viti testa di biella); Massa minima blade = 1,59kg; Biella fork1 (+45 ) D i = 109,74mm (diametro interno testa di biella); De = 119mm (diametro esterno testa di biella); s = 12,17mm (spessore dei rebbi); M9x0,75 (viti testa di biella); h = 16,84mm (spazio tra rebbi); Massa minima fork1 = 1,80kg;

11 BIELLE DEFINITIVE Biella fork2 (-45 ) D i = 103,74mm (diametro interno testa di biella); De = 114mm (diametro esterno testa di biella); s = 12,17mm (spessore dei rebbi); M9x0,75 (viti testa di biella); h = 42,68mm (spazio tra rebbi); Massa minima fork1 = 1,88kg; Biella fork3 (+90 ) D i = 97,74mm (diametro interno testa di biella); De = 108mm (diametro esterno testa di biella); s = 12,17mm (spessore dei rebbi); M9x0,75 (viti testa di biella); h = 68,52mm (spazio tra rebbi); Massa minima fork1 = 1,84kg; Biella fork4 (-90 ) D i = 91,74mm (diametro interno testa di biella); De = 102mm (diametro esterno testa di biella); s = 12,17mm (spessore dei rebbi); M9x0,75 (viti testa di biella); h = 94,36mm (spazio tra rebbi); Massa minima fork1 = 2,26kg;

12 VERIFICA DELLE BIELLE A CARICO DI PUNTA Le 5 bielle sono state verificate con esiti positivi a carico di punta con il software ANSYS 11.0 nel seguente modo: È stata applicata una pressione sulla area d*l del piede di biella,in modo tale che il prodotto d*l per la pressione dia la forza massima dell istante del picco di pressione in camera di combustione (regione rossa); Sono stati fissati i vincoli cilindrici (regioni blu); E stata adottata una discretizzazione di dimensione di 4mm;

13 VERIFICA DELLE BIELLE A CARICO DI PUNTA Le bielle sono tutte verificate. Viene riportata a scopo illustrativo la verifica della biella fork4, la più sollecitata: FATTORE DI SICUREZZA SOLLECITAZIONE EQUIVALENTE Per motivi di limitazioni del software adottato per il disegno SOLID EDGE V18, non è stato possibile realizzare completamente le nervature. Evidente miglioramento già introducendo solo una parte delle nervature

14 PERNO DI BANCO, MASCHETTE ED EQUILIBRAMENTO DELLE FORZE CENTRIFUGHE Perno di banco : - diametro 100 mm - lunghezza utile 40 mm Maschette (o manovelle) : - raggio di manovella 54 mm - spessore 22 mm MASCHETTA BASE CONTRAPPESI rispetto DINAMICO) F r = 1m r ω 2 r r mc m r 2 r TUNGSTENO c baricentro sull asse dell albero (EQUILIBRIO STATICO) somma dei momenti delle forze centrifughe nulla all asse di rotazione dell albero (EQUILIBRIO m r = somma delle masse rotanti (perno di manovella, bronzine e biella) m c = massa del contrappeso Si ottiene : F r = 283 kn m c = 4,24 kg MASSA NOTEVOLE CONTRAPPESI IN si adottano 2 contrappesi uguali da 2,12 kg

15 ALBERO A GOMITI Sono state dimensionate tutte le sue parti (perno di manovella, perno di banco e maschette); Si realizza l albero, costituito da 12 gruppi ruotati di 30 l uno dall altro; Materiale : stesso delle bielle 34NiCrMo 16 Lavorazione : forgiatura Massa : 287,5 kg Lunghezza : 2,6 m

16 VERIFICA A ELEMENTI FINITI DEL GRUPPO È stato utilizzato sempre il software ANSYS 11.0; È stata applicata : > una pressione massima pari a 228,8 N/mm 2 sull area del perno di manovella pari a l*d; > un momento torcente massimo di N m su un estremità libera del perno di banco; > un vincolo fisso all altra estremità libera del gruppo; > un vincolo cilindrico sull altro perno di banco;

17 VERIFICA DEL GRUPPO Discretizzazione : dimensionamento elementi di 5mm si ottiene una reticolatura abbastanza fitta Risultati ottenuti : SICUREZZA FATTORE DI SOLLECITAZIONE EQUIVALENTE È evidente dalle immagini la fattibilità dell albero; addirittura si

18 STRUTTURA COMPLESSIVA Massa pentapenne : 27,128 kg Massa totale imbiellaggio : 613,011 kg

19 SVILUPPI FUTURI Lo studio di quest imbiellaggio è solamente all inizio : rivisitare pistoni e spinotti; quelli impiegati in questa trattazione sono solo provvisori e relativi al motore del VD007; Per quanto riguarda l albero : realizzazione fori per la lubrificazione perno-bronzina ; Verifica a fatica; Verifica flessionale ; Analisi delle vibrazioni torsionali ; Non è escluso uno studio di una soluzione in ghisa GS800. Il vantaggio è che impiegando un anima opportunamente sagomata e studiata si riuscirebbe a scavare l intero albero e quindi a diminuire la sua massa.