OTTIMIZZAZIONE DI UN MOTORE DIESEL DUE TEMPI PER AEROPLANI SENZA PILOTA D'ALTA QUOTA

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1 OTTIMIZZAZIONE DI UN MOTORE DIESEL DUE TEMPI PER AEROPLANI SENZA PILOTA D'ALTA QUOTA RELATORE: Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli CORRELATORE: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Cristina Renzi CANDIDATO: Matteo Marconi Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria A.A. 2007/ /12/2008

2 OBIETTIVI DELLA TESI Progettare un albero motore per un 6 cilindri boxer destinato ad uso aeronautico. Il motore è installato su un aereo che rimane in volo per lunghi periodi senza la possibilità di effettuare manutenzioni di alcun tipo. OBIETTIVI COMPLEMENTARI passaggio all'utilizzo di bronzine in luogo dei cuscinetti e gabbie studio e dimensionamento del relativo circuito di lubrificazione forzata realizzazione dell'albero motore in un sol pezzo. REQUISITI FONDAMENTALI Robustezza Controllo delle vibrazioni Affidabilità Leggerezza

3 SVILUPPO DELLA TESI ANALISI DEL MOTORE E CARATTERISTICHE PARTICOLARI DELL'IMBIELLAGGIO Valutazione delle pressioni Calcolo delle accelerazioni Valutazione delle masse in movimento Definizione layout generale DIMENSIONAMENTO DEI DIAMETRI PRINCIPALI Calcolo dei momenti Scelta del materiale Calcolo dei diametri minimi per assi e perni Assegnazione diametri finali VERIFICA A FATICA DELLE PARTI Valutazione tipo di sollecitazione Verifica secondo UNI 7670 DIMENSIONAMENTO CONTRAPPESI PER IL BILANCIAMENTO Definizione forze centrifughe Definizione forze d'inerzia alterne Calcolo contrappeso per forze centrifughe Calcolo contrappeso per forze alterne

4 ANALISI DEL MOTORE Il motore in progetto è un 2 tempi diesel e ha un architettura a 6 cilindri contrapposti La potenza è di 180kW a 5600 rpm con una coppia di 307 Nm, la pressione massima in camera di combustione può raggiungere i 140 bar. L'albero è composto da 3 coppie di manovelle che spingono i pistoni in maniera contrapposta, ogni coppia è sfasata di 120º rispetto all'altra; questa configurazione è particolarmente valida in quanto permette di annullare automaticamente ogni forza d'inerzia residua che agisce sul carter. Parti in moto alterno Massa organi in movimento Massa pistone = 0,7 kg Massa della biella considerata in moto alterno = 0,2 kg Massa totale = 0,9 kg

5 Masse organi in movimento Parti in moto rotatorio Massa dei perni Massa dei foderi Massa rotante della biella = 0,29 kg = 0,04 kg = 0,49 kg Massa totale = 0,82 kg Accelerazione che genera le forze alterne: a = ω²r(cosα + λcos2α) Sommando tutti i contributi d'inerzia e le forze di pressione si ottengono le sollecitazioni che si scaricano sull'imbiellaggio: R = F a + F r + F g R = N al P.M.S. R = N al P.M.I.

6 DIMENSIONAMENTO MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO AL CARICO M = P l²/8 = 224Nm valore massimo al centro del perno MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO ALLA COPPIA M = F t l = 216 Nm valore massimo all'estremità lato trasmissione del perno M = 216,2 / 2 = 108 Nm valore al centro del perno MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO ALLE SPINTE DELLE BIELLE M = R l' (l-l') / 2l = 764 Nm valore massimo nel centro dei perni Le sollecitazioni sugli assi sono molto inferiori e questo è dovuto al bilanciamento dell architettura 6 cilindri boxer

7 MATERIALE 300M 41SiNiCrMoV76 σ r = 1930 MPa σ s = 1710 MPa ρ = 7835 Kg/m³ Tensione ammissibile con C.S. = 3 σ amm = 570 MPa Le dimensioni orizzontali dell'albero sono già definite dal progetto generale del motore. I diametri delle sezioni resistenti sono definiti con le relazioni di costruzione: Diametro minimo dei perni: D = 28,5 mm (d = 16,5 mm) Diametro definitivo perni: D = 36 mm (d = 24 mm) Diametro minimo degli assi: D = 17,5 mm (d = 5,5 mm) Diametro definitivo assi: D = 34 mm (d = 22 mm) I diametri definitivi sono molto maggiorati rispetto ai minimi necessari al fine di scongiurare fenomeni di fatica e resistenze ridotte a causa di fori per la lubrificazione, effetti intaglio e altre imperfezioni. Inoltre limitando al massimo le flessioni dell'albero si riducono drasticamente deleterie vibrazioni.

8 VERIFICA A FATICA TIPO DI SOLLECITAZIONE Flessione rotante con: σ max = 298 Mpa σ min = 128 MPa VERIFICA SECONDO UNI 7670 Numero di cicli: 2 miliardi Piu di un anno di funzionamento σ max = 298 Mpa σ min = 128 MPa L'albero ha superato la verifica secondo norma UNI 7670 con margine, su un numero di cicli superiore ad un anno intero di funzionamento

9 BILANCIAMENTO BILANCIAMENTO DI OGNI COPPIA DI MANOVELLE Bilanciamento forze centrifughe: m r = m p + m m + m br m r = 0,29 + 0,04 + 0,49 = 0,82 kg I contrappesi con baricentro spostato alla giusta distanza r c dal centro di rotazione generano le forze opposte che annullano il momento; il rapporto che individua il contrappeso è: m c r c = 18,45 Bilanciamento forze alterne d'inerzia di primo grado: I' = 0,5 m a ω² r = 6963 N con m a = 0,9 kg Quindi il momento che dovremo bilanciare è : M = I' b = 362,1 Nm rapporto tra il peso e il raggio del contrappeso: m c ' r c ' = 0,5 m a (b/c) r m c ' r c ' = 10

10 ENTITA' TOTALE CONTRAPPESI Uniamo i due contributi che definiscono lo sbilanciamento voluto per la costruzione delle maschette e poniamo che i due raggi siano coincidenti: r c = r c ' quindi: m c ' r c = 10 m c r c = 18 (m c + m c ') = m t massa totale maschetta La massa totale della maschetta m t deve avere il baricentro posizionato ad un raggio tale che: m t r c = 28 con r c espresso in millimetri. La relazione tra masse e posizione del baricentro è stata verificata per prove successive con l'ausilio del modellatore grafico Solid Works che permette una rapida verifica delle proprietà fisiche dei modelli disegnati. E' stato appositamente lasciato della massa in più come margine necessario all'officina per la foratura durante la verifica manuale alla macchina equilibratrice.

11 DISEGNO FINALE Ecco come si presenta l'albero finito in tutte le sue parti