ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA. CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Forlì

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Forlì STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE PLURICILINDRICO PER PROPULSIONE AERONAUTICA. CANDIDATO Luca Facondini RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico Sessione III

2 Diagramma di flusso di questa tesi Analisi e revisione del foglio elettronico dell Ing.Piccaglia Equilibratura e dimensionamento del 6 cilindri in linea con calcolo delle Forze e dei Momenti Equilibratura e dimensionamento del 8 cilindri Boxer con calcolo delle Forze e dei Momenti Ottimizzazione del riduttore per 2 eliche controrotanti

3 Nuova generazione di motori aeronatutici ad accensione comandata basati sull unità cilindro della Yamaha R cc 4 cilindri Nuovo Propulsore 15cc 6 cilindri in linea per ottenere: Nuovo Propulsore 2cc 8 cilindri contrapposti Boxer

4 Numero cilindri N Cilindrata [cm3] 997, Corsa s [mm] Alesaggio D [mm] Raggio di manovella r [mm] Lunghezza di biella l [mm] Coefficiente λ , Interasse 2l' [mm] 83 Spessore testa di biella Li [mm] 2,85 1 Caratteristiche geometriche e inerziali del motore Yamaha YR1 originale 2 3 l' l' l' l' l' l' l' 4 l f Massa del pistone [Kg] Massa dello spinotto [Kg] Massa della biella [Kg] Baricentro di biella [mm] Massa mba della biella [Kg] Massa mbr della biella [Kg] Momento d'inerzia Jz [Kgmm2],362,53,335 95,774, , ,59943

5 Forze d inerzia agenti sul manovellismo Forza rotante: F r = m r Ω 2 r Massa rotante equivalente: m = m + r mr m br Accelerazione dello stantuffo: a 2 = Ω r ( cosα + λ cos 2α ) Forze alterne di primo e secondo ordine: F a 2 = ma Ω r ( cosα + λ cos 2α ) Massa alterna equivalente: m = m + a s m ba F ai F aii Coppia dovuta all inerzia della biella: M i = Ω b J J = J b mb ( x1x 2 ) Scomposizione della coppia sul manovellismo: Fy coppia = M i L cos β

6 Equilibratura delle forze rotanti e d'inerzia di primo e di secondo ordine dovuta alla geometria dell'albero Per entrambe le geometrie risultano equilibrati sui perni di banco i momenti prodotti dalle forze

7 Equilibratura delle Forze rotanti direttamente sulle manovelle per annullare sollecitazioni e vibrazioni sui perni di banco dovute ai Momenti rotanti Si è utilizzato il software di disegno Catia V5 R15 per ottenere una accurata precisione di equilibratura

8 Sollecitazioni per un albero 6 cilindri in linea Ordine di accensione: ANGOLO DI MANOVELLA Componente Tangenziale T Componente Radiale R Newton T1 T2 T3 T4 T5 T6 Newton R1 R2 R3 R4 R5 R Gradi Gradi

9 Sollecitazioni per un albero 6 cilindri in linea Momento Torcente su perno di banco Risultante R su perno di banco N *m Momento Relativo Torcente I-II Momento Relativo Torcente III-IV Newton Risultante a 12 gradi Risultante a gradi Gradi Gradi Momento all'albero in uscita 45 N*m Gradi Potenza Max in uscita all albero: 168 kw (228 CV)

10 Albero di un 6 cilindri in linea da 15cc Dimensionamento componenti albero: Diametro perno di manovella Diametro perno di banco Spessore ramo di manovella Larghezza media ramo di manovella Larghezza max di manovella Larghezza minima di manovella ,

11 Sollecitazioni per un albero 8 cilindri contrapposti Ordine di accensione: ANGOLOdiFASE\CILINDRO ~ ~63 63~72 Componente Tangenziale T Componente Radiale R Newton T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Newton R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R Gradi Gradi

12 Sollecitazioni per un albero 8 cilindri contrapposti Momento Torcente in valore assoluto su perno di banco Risultante R su perno di banco N*m Momento Torcente Momento Torcente su successione di scoppi tra 6 e 7 Newton Risultante tra manovelle a 9 gradi Gradi Gradi Momento all'albero in uscita 4 35 N*m Potenza Max in uscita: 216 kw (293 CV) Gradi

13 Albero di un 8 cilindri Boxer da 2cc Dimensionamento componenti albero: Diametro perno di manovella Diametro perno di banco Spessore ramo di manovella Larghezza media ramo di manovella Larghezza max di manovella Larghezza minima di manovella , Occorre notare l invarianza sostanziale del perno di banco dal 6 cilindri al 8 dovuta all ammorbidirsi dell erogazione causato dall aumento del numero di cilindri

14 Complesso albero-trasmissione eliche controrotanti

15 Trasmissione diretta del 8 cilindri Boxer alle eliche controrotanti Riduzione desiderata: da 11 rpm a 27 rpm τ Z1 Z 3 Z 5 = 4 Z' / Z = 1. Z Z Z = τ

16 Dimensionamento ruote dentate Dati: pignone corona diametro primitivo desiderato per pignone 139,75 223,6 mm modulo dentatura normale mn 3,25 3,25 mm interasse di funzionamento a' 18, 18, mm rapporto di trasmissione desiderato tau 1,6 1,6 numero numero denti consigliato 43, 68,8 numero numero denti scelto n numero angolo di pressione normale alfa 2 2 gradi angolo d' elica beta gradi larghezza minima della fascia di ingranamento b 2, 2, mm ribassamento di testa del pignone,1,2 mm valore gioco richiesto sui denti minimo,5,5 mm valore gioco richiesto sui denti massimo,1,1 mm potenza max motore P kw numero giri motore a potenza max N giri/min modulo di elasticità E N/mm^2 sollecitazione piede dente per carico pulsante sigpuls N/mm^2 resistenza al pitting del materiale kw N/mm^2

17 Forze e Momenti agenti sugli alberi di trasmissione Diametro alberi che collegano le ruote: Primo Riduttore 21 Secondo Riduttore 25 Terzo Riduttore 29 Ruota Oziosa 17 Elica Asse Interno 23 Elica Asse Esterno d.esterno 4 d.interno 26 NB: teoria di Bredt per travi a sezione sottile Forze risultanti sull'albero del: Primo Riduttore Secondo Riduttore Terzo Riduttore Ruota Oziosa Elica Asse Interno Elica Asse Esterno 14265, ,8-3418, , , ,11 Modulo di resistenza Wt: 1818,39 367, ,77 964, ,98 Taglio sugli alberi del: 54,92-18,8-6,9 173,52 47,4 61,59

18 Momento torcente agente su: Albero Motore Primo Riduttore Secondo Riduttore Terzo Riduttore Eliche Anteriore e Posteriore Tensione equivalente: 187, ,17 272,94 278,4 3,54 29,26 39,76 Torsione su: 164,98 156,46 16,38 16,74 167,9 Coefficiente di Sicurezza: 2,59 2,86 2,81 2,6 2,69 2,52 Sono state ricavate forze risultanti di bassa entità sfruttando una disposizione verticale tra il secondo e il terzo riduttore e tra questo e le eliche Condotta Motrice Motrice Condotta

19 Caratteristiche tecniche Massa albero 8 cilindri: kg (albero 6 cilindri: kg) Massa riduttore per eliche controrotanti: kg (riduttore per normale elica: 5.4 kg) Massa Totale: kg 163 mm 793 mm 3 mm

20 Conclusioni E possibile realizzare un albero motore ottimizzato per un propulsore 8 cilindri Boxer (e per il 6 cilindri in linea) La soluzione delle eliche controrotanti nel motore 8 cilindri Boxer comporta un incremento di peso di circa 4 kg. A questo dovrà essere aggiunto il peso del secondo mozzo a passo variabile che si aggira intorno ai 4 kg. L incremento totale di peso per eliche controrotanti è quindi pari a circa 8 kg infatti sperimentalmente l elica controrotante non è più pesante a livello di pale rispetto a una semplice elica. Ottimizzando opportunamente il riduttore e l albero motore, per un motore a benzina di nuova generazione con potenza attorno ai 3 CV, le eliche controrotanti non portano ad incrementi di peso. Si hanno nel contempo i seguenti vantaggi: Assenza di coppie giroscopiche con maggiore facilità di pilotaggio e minori sollecitazioni sulla struttura e sull albero a elica. Maggiore efficienza complessiva dal punto di vista aerodinamico. Consente di abbassare il velivolo rispetto al suolo.