STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN ALBERO MOTORE PER UN 6 CILINDRI DIESEL

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1 STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN ALBERO MOTORE PER UN 6 CILINDRI DIESEL Tesi di laurea in disegno assistito dal calcolatore Candidato Nicola Di Marco Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori Giacomo Caroli Ing. Cristina Renzi

2 Obbiettivi: Ottimizzazione dell albero e verifica strutturale a torsione e flessione Equilibratura dell albero motore alle forze centrifughe Dimensionamento del volano Dimensionamento delle bielle e delle viti per la testa, dei pistoni e verifiche strutturali Equilibratura delle forze alterne di inerzia Analisi delle frequenze di vibrazione

3 Situazione di partenza: L albero che ho studiato deriva dal motore VD007 oggetto della tesi dell Ing. Angelini. L albero non era equilibrato, non presentava condotti per la lubrificazione e non resisteva ai carichi cui era sottoposto. Inoltre l albero, i pistoni e le bielle avevano ampi margini di miglioramento per quanto riguarda le masse e le dimensioni.

4 Situazione di partenza:

5 Situazione di partenza: Per quanto riguarda i materiali, ho scelto: Acciaio 300M per l albero motore Lega di alluminio 7075-T6 per i pistoni e i cilindri per i condotti dell olio Lega del titanio per le bielle Ghisa e tungsteno per il volano

6 Ottimizzazione dell albero: In campo aeronautico sono fondamentali masse e dimensioni ridotte, unite ad alte resistenze dei pezzi. Per questo ho ridimensionato i perni dell albero e le maschette, ottenendo ottimi risultati nelle caratteristiche sopra citate.

7 Ottimizzazione dell albero: Perni di banco iniziali: Massa 794 g Lunghezza 60 mm Diametro maggiore 61 mm Diametro minore 55 mm Perni di banco finali centrali: Massa 1065 g Lunghezza 75 mm Diametro maggiore 55 mm Diametro minore 49 mm

8 Ottimizzazione dell albero: Perni di banco iniziali: Massa 794 g Lunghezza 60 mm Diametro maggiore 61 mm Diametro minore 55 mm Perni di banco finali centrali: Massa 1065 g Lunghezza 75 mm Diametro maggiore 55 mm Diametro minore 49 mm

9 Ottimizzazione dell albero: Perni di manovella iniziali: Massa 788 g Lunghezza 88 mm Diametro maggiore 66 mm Diametro minore 60 mm Perni di manovella finali: Massa 830 g Lunghezza 82 mm Diametro maggiore 46 mm Diametro minore 40 mm

10 Ottimizzazione dell albero:

11 Ottimizzazione dell albero: Maschette iniziali: Massa 1111 g Spessore 22 mm Maschette finali: Massa 248 g Spessore 19 mm

12 Ottimizzazione dell albero: Maschette iniziali: Massa 1111 g Spessore 22 mm Maschette finali: Massa 248 g Spessore 19 mm

13 Ottimizzazione dell albero:

14 Lubrificazione:

15 Verifica strutturale dell albero: Coefficiente minimo di sicurezza Sollecitazione massima Coefficiente minimo di sicurezza Sollecitazione massima Secondo perno di manovella Secondo perno di manovella Terzo perno di manovella Terzo perno di manovella 2,1 7, N/m 2 2,2 6, N/m 2 α = 0 1,1 1, N/m 2 1,1 1, N/m 2 Quadratura α = 45

16 Verifica strutturale dell albero:

17 Verifica strutturale dell albero:

18 Verifica strutturale dell albero:

19 Equilibratura delle forze centrifughe: F r = m r ω 2 r

20 Equilibratura delle forze centrifughe: Maschetta finale: Massa 723 g Raggio 18,15 mm

21 Dimensionamento del volano: Il volano è un organo, a forma di disco, cui è affidato il compito di limitare le fluttuazioni della velocità angolare dell albero. Il volano, cioè, deve regolarizzare il più possibile l andamento nel tempo della velocità angolare sfruttando la propria inerzia. Si pone il volano in grado di assorbire l incremento massimo di energia cinetica della macchina, ossia il lavoro massimo di fluttuazione ΔL: ΔL = I ω 2 δ

22 Dimensionamento del volano: Verificato a forza centrifuga Cava per Linguetta B 8x7x22 Massa = 4,47 kg

23 Pistoni: Massa 1222 g

24 Pistoni: Massa 1222 g

25 Pistoni: Massa 1222 g

26 Bielle: Sistema biella fork-blade Verifiche cui sottoporre le bielle: Compressione Trazione Carico di punta Colpo di frusta Università degli studi di Bologna

27 Bielle: TRAZIONE Biella blade COMPRESSI ONE Biella blade TRAZIONE Biella fork COMPRESSI ONE Biella fork 1,1 1,1 1,1 1,1 Coefficiente minimo di sicurezza 9, , , , N/m 2 N/m 2 N/m 2 N/m 2 Massima sollecitazione

28 Bielle: Sistema biella fork-blade Verifiche cui sottoporre le bielle: Compressione Trazione Carico di punta Colpo di frusta Verifica a carico di punta mediante la formula di Rankine: σ CR > σ del carico applicato Verifica a colpo di frusta a una distanza di 0,6 l dal centro del piede

29 Lunghezza bielle 180 mm Sezione ad H Biella blade (sx): Massa 663 g Biella fork (dx): Massa 937 g

30 Equilibratura delle forze alterne di inerzia: F a = m a ω 2 r (cos α) F a = m a ω 2 r l (cos 2 α)

31 Equilibratura delle forze alterne di inerzia:

32 Studio delle frequenze di vibrazione dell albero: f = n / 60 = 167 Hz L importante è che i vari modi di vibrazione abbiano frequenze alte, maggiori almeno della frequenza di vibrazione dell albero, evitando fenomeni di risonanza.

33 Risultato finale: Lo studio eseguito ha portato risultati soddisfacenti. Rispetto all albero di partenza, si sono ottenuti notevoli miglioramenti per quanto riguarda la massa dell albero a gomiti e la sua lunghezza. Si è passati infatti da 737 a 672 mm e da 14,433 a 10,25 kg, aggiungendo all albero anche i pistoni e gli spinotti, le bielle e il volano si raggiunge una massa complessiva di 32,9 kg.

34 Risultato finale:

35 Ringraziamenti: Prof. Luca Piancastelli Giacomo Caroli Cristina Renzi I miei genitori I miei compagni di corso e i miei amici I presenti