Studio ed ottimizzazione di un albero motore per un turbodiesel common rail 16 cilindri a V di 55

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1 Studio ed ottimizzazione di un albero motore per un turbodiesel common rail 16 cilindri a V di 55 Tesi di Laurea di Stefano Vertucci Relatore : Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatore : Ing. Cristina Renzi Alma Mater Studiorum - Università degli Studi di Bologna - A.A. 2007/2008 1

2 Obbiettivi prefissati Dimensionamento albero motore per V16 con angolo bancate di 55 Principi perseguiti Affidabilità Leggerezza 2

3 Sulla base dei principi sopra si èscelto un materiale con caratteristiche meccaniche eccezionali, che permette un forte ridimensionamento delle masse in gioco che va a limitare gli svantaggi dovuti al maggior costo al kg Acciaio 300 M Scelta del materiale Tensione di rottura a trazione R = 1930 Mpa Tensione di snervamento S = 1520 Mpa Limite di fatica all origine σ f = 1070 Mpa

4 Dati di progetto Valutazione studi precedenti Evoluzione del progetto Dimensionamento dell albero Teoria alberi motore Verifica alle vibrazioni torsionali Albero finale Verifica alle vibrazioni flessionali OTTIMIZZAZIONE e ALLEGGERIMENTO Verifica statica e a fatica 4

5 Dati di progetto iniziali alesaggio di 82 mm corsa di 74,4 mm rapporto λ=r/l=0,31 diagramma di indicatore Pmax =190 bar 5

6 Progettazione Albero Motore Dimensionamento dei perni di banco con diametro esterno di 52,5 mm, interno 28mm 6

7 Progettazione Albero Motore Dimensionamento dei perni di biella con diametro esterno di 32 mm, interno di 11mm 7

8 Progettazione Albero Motore Definizione geometria della maschetta in base alla corsa di 74,4 mm e alle dimensioni dei perni di banco e biella 8

9 Progettazione Albero Motore Definizione geometria della maschetta in base alla corsa di 74,4 mm e alle dimensioni dei perni di banco e biella 9

10 Progettazione Albero Motore Assemblaggio totale manovella 10

11 Progettazione Albero Motore Assemblaggio finale albero 11

12 Dinamica del manovellismo Forze di pressione: Forze alterne d inerzia: F a Fg = ( p( α) p0) π D 4 2 ( cosα + λ cos α ) 2 = m ω r 2 Forze d inerzia rotanti: 2 Fr = mrω r a dove: ma = mpistone + malternabiella mr = mmr + mrotantebiella 12

13 Analisi dei carichi sul manovellismo V16 a 55 E stata effettuata con un apposito foglio di calcolo. Si inseriscono informazioni relative al manovellismo quali masse dei vari componenti, le dimensioni caratteristiche del manovellismo e la pressione esercitata sul pistone. Si sono ottenute le risultanti dei carichi trasmessi dalle due bielle al perno di biella e ai perni di banco rispetto un riferimento fisso nello spazio 13

14 Risultanti sul perno di manovella nel sistema fisso = = ) ( 2 1 ) ( 2 1 M y bry bay ay ygas y M x brx bax ax xgas x F F F F F R F F F F F R 2 Biella Biella 1 Biella Biella sistema sistema fisso fisso 14

15 Risultanti sui supporti di banco R R xt sup yt sup = = R ( α) R x y ( α) + + Rx ( α ϕ) R ( α ϕ) y sistema fisso R R xtot sup. ytot sup. = = R R xblade sup yblade sup + R + R xfork sup yfork sup Risultante su supporto intermedio Risultanti supporto intermedio Ry Rx

16 Bilanciamento dell albero L albero caratterizzato da angoli tra le manovelle di 45 risulta equilibrato alle forze d inerzia centrifughe e alterne del 1 e 2 ordine Risultante forze centrifughe e alterne del 1 ordine Risultante forze alterne del 2 ordine 16

17 Bilanciamento dell albero Il bilanciamento èstato fatto sui momenti delle forze centrifughe e alterne del 1 ordine: mediante una disposizione delle manovelle che minimizzi lo squilibrio; applicando contrappesi cilindrici in tungsteno sulle maschette delle manovelle estreme contrappesi 17

18 Verifica torsionale Analisi delle vibrazioni con il metodo certificato del Lloyd mediante foglio elettronico dell ing. Piccaglia Immissione masse volaniche Foglio di calcolo per la determinazione dei modi propri di vibrazione di un albero con 12 masse volaniche Valore delle masse volaniche Valore delle rigidezze torsionali J1 0, kg m² K ,02 N m/rad J2 0, kg m² K ,2585 N m/rad J3 0, kg m² K ,2585 N m/rad J4 0, kg m² K ,2585 N m/rad J5 0, kg m² K ,2585 N m/rad J6 0, kg m² K ,2585 N m/rad J7 0, kg m² K ,2585 N m/rad J8 0, kg m² K ,2585 N m/rad J9 0, kg m² 18

19 Verifica torsionale Immissione dati del motore Analisi armonica e diagramma degli sforzi di torsione Seconda fase di immissione dati Raggio di manovella = Lunghezza totale biella= Peso masse alterne= Alesaggio= Pmi (Pressione media indicata) Massima= 37,2 mm 120 mm 1,197 kg 82 mm 3,6 MPa n giri corrispondente alla Pmi Max= 3800 giri/min Numero di cilindri= 16 (max 16 cilindri) Tipo ciclo (diesel->d; otto->o) d d/o Diametro esterno perno più sollecitato= Diametro interno perno più sollecitato= 56,5 mm 28 mm Campo d'indagine= n giri Minimo 100 giri/min n giri Massimo 6000 giri/min Calolare le armoniche rispetto al modo proprio n 1 (1,2,3,4) n giri di esercizio= 5600 giri/min 19

20 Verifica torsionale Ordine di accensione dei volani Ordine di accensione= Indicare i volani corrispondenti ai cilindri seguendo l'ordine di accensione Volano Volano Primo 2 Nono 9 Secondo 9 Decimo 2 Terzo 4 Undicesimo 7 Quarto 7 Dodicesimo 4 Quinto 6 Quattordicesimo 5 Sesto 5 Dodicesimo 6 Settimo 3 Quindicesimo 8 Ottavo 8 Sedicesimo 3 Intervalli angolari tra scoppi consecutivi= Primo intervallo 55 Nono intervallo 55 Secondo intervallo 35 Decimo intervallo 35 Terzo intervallo 55 Undicesimo intervallo 55 Quarto intervallo 35 Dodicesimo intervallo 35 Quinto intervallo 55 Tredicesimo intervallo 55 Sesto intervallo 35 Quattordicesimo intervallo 35 Settimo intervallo 55 Quindicesimo intervallo 55 Ottavo intervallo 35 20

21 Risultati Verifica torsionale 21

22 Risultati Verifica torsionale 22

23 Verifica alle vibrazioni flessionali Modi Frequenza[Hz] , , , , , , , , , , , ,5 Frequenza flessionale Critica del PRIMO MODO di : 4832,1 Hz pari 23

24 Verifica statica Per l analisi statica si èutilizzato il software FEA AnsysWorkbenchche permette uno studio del sistema agli elementi finiti Si è importata la geometria 3D dell albero disegnata con Solid Edge Si èdefinita la reticolatura (mesh) dell albero, con affinamento sulla superficie più sollecitata Si sono definiti i vincoli, cilindrici per simulare la presenza delle bronzine di banco con vincolo fisso su perno estremo Si sono applicati i carichi agenti sull albero 24

25 Geometria albero 25

26 Reticolatura dell albero 26

27 Reticolatura dell albero 27

28 Definizione vincoli 28

29 Definizione dei carichi Per l analisi statica si èutilizzato il software FEA AnsysWorkbenchche permette uno studio del sistema agli elementi finiti Si è importata la geometria 3D dell albero disegnata con Solid Edge Si èdefinita la reticolatura (mesh) dell albero, con affinamento sulla superficie più sollecitata Si sono definiti i vincoli, cilindrici per simulare la presenza delle bronzine di banco con vincolo fisso su perno estremo Si sono applicati i carichi agenti sull albero 29

30 Risultati verifica statica Si è rilevata la massima tensione equivalente secondo Von Mises sulla prima manovella, nel raccordo tra perno di biella e maschetta. La tensione max equivalente è: σeq= 350 MPa Il coefficiente di sicurezza: Ks= 4 30

31 Verifica a fatica Si può ritenere il ciclo di forze approssimativamente allo zero Per il 300M il limite di fatica nelle condizioni di esercizio risulta 1070 Mpa ( dato sperimentale) Il coefficiente di sicurezza sulla base delle tensioni rilevate risulta Ks = 3 31

32 Assemblaggio albero con pistoni Per avere un idea del dimensionamento del basamento si sono montati sull albero i pistoni. Si era pensato di usare quelli resi disponibili da uno studio precedente 32

33 Assemblaggio albero con pistoni Visti i problemi di interferenza si èproceduto ad una modifica della geometria di tali pistoni 33

34 Assemblaggio albero con pistoni 34

35 Modifica geometria pistone Pistone modificato Pistone iniziale 35

36 L albero di progetto definitivo Caratteristiche: Lunghezza = 894,2 mm Massa = 15,9 kg Materiale = 300M 36

37 Conclusioni L albero ottenuto ha dato riscontri positivi riguardo affidabilità e contenimento delle masse. Tutte le verifiche hanno dato esito positivo. 37

38 GRAZIE 38