STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE A DUE TEMPI A CICLO OTTO IN ASSENZA DI LUBRIFICAZIONE PER DECESPUGLIATORE

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA ALMA MATER STUDIORUM FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA TESI DI LAUREA IN Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE A DUE TEMPI A CICLO OTTO IN ASSENZA DI LUBRIFICAZIONE PER DECESPUGLIATORE Tesi di laurea di: Michele Dal Rio Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Ing. Marcantonio Zanni Anno Accademico

2 Oggetto della Tesi Studio di una configurazione motoristica per decespugliatore che non necessiti di olio lubrificante e costruzione del relativo prototipo

3 Obbiettivi Motore di ingombro ridotto e basso peso così da poter essere installato su un decespugliatore. Costo di produzione contenuto e paragonabile a quello di prodotti simili per consentirne la commercializzazione. Bassa manutenzione e buona affidabilità. Contenimento del numero di componenti per mantenerne l affidabilità. Potenza massima di circa 1 kw.

4 Specifiche di progetto Monocilindrico due tempi a ciclo otto a carter-pompa di piccola cilindrata. Funzionamento in assenza totale di olio di lubrificazione. Pistone realizzato in materiale autolubrificante che scorre di moto rettilineo grazie ad appositi cinematismi che permettono di scaricare le spinte derivate dagli scoppi in direzione coassiale all asse della corsa, senza produrre reazioni trasversali sul fianco del cilindro Sezioni di aspirazione, travaso e scarico comandate esclusivamente dallo scorrimento del pistone. Numero di giri massimo pari a 6000 giri/min. Alimentazione del combustibile mediante carburatore tradizionale. Raffreddamento ad aria. Accensione comandata della miscela aria-combustibile tramite candela. Peso massimo non superiore ai,5 kg.

5 Meccanismi che permettono di eliminare le spinte laterali del pistone sul cilindro Cinematismi alternativi Minore ingombro e numero di componenti, si è deciso di scegliere Il manovellismo guida a giogo ALBERO A SBALZO BIELLETTA a L ASTA STANTUFFO LEVA SNODO

6 Il manovellismo guida a giogo : cinematica λ = r L senβ = λ senα cos β = Dati di progetto: 1 λ sen r = 1 mm; L = 48 mm; λ = 0,5; n = 6000 rpm α P.M.I. P.M.S. X P t O B α β r A L β L D C Ymax cymin P.M.S. Y P.M.I. spostamenti Y C X B 1 1 = r cos 40 + (cos9 + sin 9 ) [cosα + senα + ( 1 λ sen α )] λ λ 1 = r[1 cos α + (1 1 λ sen α )] λ spostamento (mm) 40,00 35,00 C 30,00 5,00 0,00 15,00 B 10,00 5,00 0, angolo di manovella ( )

7 Il manovellismo guida a giogo : cinematica velocità v C v B λ sen(α ) = rω senα cosα + λ senα = rω senα + accelerazioni a C = rω [ senα + cosα + λ cos(α )] a B = rω [cosα + λ cos(α )]

8 Ottimizzazione della guida a giogo 1. posizione di vincolamento al telaio della leva P-B, (punto P) Il punto B segue una traiettoria ad arco di cerchio di raggio t α= 83 A La traiettoria ad arco fa nascere gli spostamenti laterali che si ripercuotono sul punto C e che si vogliono minimizzare 1 1 P t B 1,6 O 4 C CONFIGURAZIONE OTTIMALE: LEVA P-B ORIZZONTALE QUANDO α=83

9 Ottimizzazione della guida a giogo. lunghezza t della leva P-B All aumentare della lunghezza della leva la traiettoria del punto B ad arco tende a quella rettilinea P' γ' γ'=δ' t1' t' P t γ γ=δ r r t' B t1 t BUON COMPROMESSO TRA INGOMBRO E MINIMI SPOSTAMENTI LATERALI (t/t)*100 (%) 5,0 0,0 15,0 10,0 5,0 P-B = 50 mm 0, lunghezza t della leva (mm) Decremento percentuale della traiettoria ad arco

10 Considerazioni sulle spinte laterali MANOVELLISMO TRADIZIONALE MANOVELLISMO GUIDA A GIOGO O 4 A D Fl Φ d P B F C s 0, 1,6 Le spinte laterali sono: Le spinte laterali sono: Fn = F tan βmax = F tan14,5 = 0, 6F Fl = F tan φmax = F tan 0,1 = 0, 00F SI PASSA DAL 6% ALLO 0,% DELLA FORZA TOTALE F

11 I componenti della guida a giogo: l asta stantuffo e il pistone Il carico massimo agente sui componenti è F g =1500 N in fase di avviamento dovuto alla pressione dei gas F g ASTA STANTUFFO PISTONE Dimensionamento di massima Diametro D D=10 mm 4F πσ cr Alesaggio d=3 mm Materiale Lega di Alluminio EN AC-AlSi11 Bronzo-grafite sinterizzato F g

12 I componenti della guida a giogo: la bielletta a L F r A Ma A Va Na Nb Vb C Nc b h F g Mb B Fr Vc B C Nb B Vb Dimensionamento di massima b = 30 mm h = 15 mm Mb SFORZO NORMALE GRAFICI TAGLIO MOMENTO FLETTENTE Lega di Materiale Alluminio EN AC-AlSi11

13 I componenti della guida a giogo: l albero a gomiti ALBERO COMPLETO A SBALZO 1-0,05-0,07 1 0,8 0 +0, 1,6 30 3, 1 X 45 3, 0,8 0,8 R 0,5 44,7 0-0,1,9 3, Fresa D 10 Largh. 1,6 prof.,5 0,8 A 8-0,05 0 O Con , 8 M 0,8 11,4 +0,005-0,003 Semialbero lato volano Dimensionamento d di massima = 6 3M D 16M + 3 ttot π π σ am d = 1 mm Materiale Acciaio da bonifica 35CrMn ,15-0,05 1 0,8 6, ±0,1 O 3, ±0,1 6,1 9,55-0,15 0 O 6,3 0,15 9 ±0,15 6,3 5 +0,3 0 O 1 0-0,003 O Perno d = 6 3M D 16M + 3 ttot π π σ am d = 1 mm Acciaio da cementazione 18NiCrMo5

14 Il prototipo Caratteristiche Unità di misura Valori Alesaggio Raggio di manovella Corsa Giri Cilindrata Velocità media pistone Potenza Coppia d[mm] r[mm] c[mm] n[rpm] V[cm 3 ] u[m/s] P[kW] M[Nm] ,3 6,8 1,3

15 Metodi di equilibratura 1. PRIMO METODO DI BILANCIAMENTO Introduzione di un secondo manovellismo dotato di massa M Equilibratura forza d inerzia del I ordine 1500,0 A 1 ω 1000,0 500,0 N 0, ,0 B C massa M -1000,0-1500,0 angolo di manovella ( ) Nessun equilibratura forze d inerzia del II ordine (servirebbero alberi rotanti a velocità angolare doppia) SVANTAGGI Complicazione struttura Ingombri Peso Costi costruttivi

16 45 Metodi di equilibratura. SECONDO METODO DI BILANCIAMENTO 45 Direttamente sul prototipo 3 fori nella maschetta a 45 Fori riempiti con materiale di diversa densità Risulta equilibrata la componente della forza d inerzia del I ordine lungo l asse del moto del pistone ma squilibrata quella perpendicolare 1500,0 1500,0 1000,0 1000,0 500,0 500,0 N 0, N 0, ,0-500,0-1000,0-1000,0-1500,0 angolo di manovella ( ) -1500,0 angolo di manovella ( ) VANTAGGI Nessun equilibratura forze d inerzia del II ordine (servirebbero alberi rotanti a velocità angolare doppia) Buoni risultati senza complicare la struttura Praticità, economicità

17 Conclusioni Si è riusciti a individuare una soluzione costruttiva che soddisfi gli obbiettivi prefissati: 1. Il prototipo funziona in assenza di olio lubrificante. Minori emissioni inquinanti poiché si evita la dispersione di olio nell ambiente 3. Il prototipo presenta basso peso e buona maneggevolezza quindi idoneo per decespugliatore 4. Ingombri contenuti in altezza e profondità ma incrementati in larghezza

18 Sviluppi futuri Ottimizzazione del gruppo di lavaggio, di scarico e di raffreddamento Ottimizzazione dell equilibratura dell imbiellaggio guida a giogo Studio riguardante l impiego di un carburante gassoso (GPL) essendo riusciti ad eliminare l olio di lubrificazione Motore pulito Studio di propulsori di maggiore cubatura o pluricilindrici funzionanti sfruttando i principi della guida a giogo, che elimina le spinte laterali, e dell assenza di lubrificazione