Studio e ottimizzazione di un basamento in ghisa per il motore 1.3 JTD avio

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1 Alma mater studiorum Università di Bologna Seconda facoltà di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria meccanica Studio e ottimizzazione di un basamento in ghisa per il motore 1.3 JTD avio CANDIDATO Marco Grandi RELATORE Chia.mo Prof.Ing.Luca Piancastelli Anno accademico 2010/2011 Sessione I 1/21

2 Vincoli di progetto e obiettivi Progettazione e verifica dimensionale di un basamento motore in ghisa, alleggerito e ottimizzato in modo da impiegare in campo aereonautico a partire dal motore Fiat 1.3 JTD. Vincoli di progetto 1. Basso costo del prodotto finale 2. Intercambiabilità del nuovo basamento alleggerito con quello originario Alleggerimenti mediante lavorazioni CNC Perché alleggerire? peso ed ingombro contenuto, mantenendo comunque le caratteristiche di affidabilità 2/21

3 Vincoli di progetto Vincoli geometrici Parametri N cilindri e disposizione: 4 in linea Alesaggio: 69.6 Corsa: 82 Interasse tra i cilindri: 77 Vincoli materiale ghisa GS 600 R Rottura a trazione = 600 MPa R Rottura a compressione = 1000 MPa R snervamento = 370 MPa Modulo elastico = MPa Parametri di accoppiamento Testa motore ( viti prigioniere) Albero motore ( sedi albero motore) Interfacce condotti di lubrificazione e raffreddamento 3/21

4 Strategia di progetto Riproduzione basamento originale Alleggerimento lav. CNC Analisi dei carichi Rispetto dei vincoli di rigidezza e resistenza Analisi degli spostamenti Analisi tensioni Analisi FEM Materiale: ghisa GS 600 Basamento finale 4/21

5 Riproduzione basamento motore Massa basamento in ghisa originale: 37.7 kg 5/21

6 Alleggerimenti Il basamento alleggerito è stato ottenuto a partire dal basamento motore originale: 1. Riducendo spessori ove a priori si riteneva possibile; 2. Eliminando la struttura atta a contenere il motorino di avviamento e tutti quei supporti che nel nuovo progetto risultavano superflui; 3. Eliminando la chiocciola-pompa-refrigerazione+ supporto-scambiatore-olio integrale nel basamento. 6/21

7 Basamento motore alleggerito -36 % Massa finale basamento alleggerito: 24.2kg 7/21

8 Analisi dei carichi Sollecitazioni albero elica Trazione elica Momento giroscopico Forze di massa Forza di richiamata Sollecitazioni albero motore 8/21

9 Sollecitazioni albero motore Non è possibile identificare a priori la condizione più gravosa Studio dei vari casi #1 #2 #3 #4 CASO 1 Espansione FASE Scarico R[N] Compressione T[N] Aspirazione CASO 2 Scarico Aspirazione Aspirazione Espansione -231Compressione CASO 3 Aspirazione Compressione Compressione Scarico Espansione 961 CASO 4 Compressione Espansione Aspirazione Scarico Espansione Scarico /21

10 Sollecitazioni albero motore e casi in studio 10/21

11 Sollecitazioni albero motore e casi in studio Caso 1 X [N] Y [N] Z [N] Caso 2 X [N] Y [N] Z [N] Supporto ,6e Supporto ,8e Supporto ,74e Supporto ,94e Supporto ,32e Caso 3 X [N] Y [N] Z [N] Supporto ,06e Supporto ,73e Supporto ,03e Supporto ,16e Supporto e Supporto ,49e Supporto ,12e Supporto e Supporto ,9e Supporto ,61e Caso 4 X [N] Y [N] Z [N] Supporto ,95e Supporto ,97e Supporto ,96e Supporto ,24e Supporto ,6e /21

12 Analisi delle tensioni sul basamento alleggerito Analisi delle tensioni Non è possibile individuare a priori il caso più sollecitato Si procede per tentativi considerando caso per caso e inserendo i valori in Simulation 12/21

13 Analisi delle tensioni sul basamento alleggerito Dalle analisi effettuate il caso più sollecitato è il N 3 #1 #2 #3 #4 FASE ASPIRAZIONE COMPRESSIONE SCARICO ESPANSIONE Concentrazione elevata delle tensioni su vaste zone del basamento 13/21

14 Analisi delle tensioni sul basamento alleggerito L intera struttura risulta essere in condizioni molto precarie di sicurezza Nuova analisi delle tensioni Ansys 14/21

15 Analisi delle tensioni sul basamento alleggerito #1 #2 #3 #4 FASE ASPIRAZIONE COMPRESSIONE SCARICO ESPANSIONE La fase di espansione del cilindro 4 causa una Concentrazione concentrazione elevata elevata delle delle tensioni tensioni sulla nei superficie perni di banco laterale N.4 del e basamento N.5 15/21

16 Analisi delle tensioni sul basamento alleggerito Osservazioni: 1)i punti maggiormente sollecitati del basamento sono all interno dei limiti di sicurezza stabiliti 2)sono sollecitati da tensioni localizzate che perdono gran parte della loro intensità ed appena ci si allontana dal loro punto di applicazione 3)in prossimità dei punti critici si trovano valori sovrabbondati del coefficiente di sicurezza 16/21

17 Analisi delle deformazioni sul basamento alleggerito Analisi degli spostamenti Necessaria per la riuscita del progetto Non ho a disposizione gli spostamenti del basamento originale da assumere come riferimento Caso più svantaggioso #1 #2 #3 #4 FASE COMPRESSONE ESPANSIONE ASPIRAZIONE SCARICO 17/21

18 Analisi degli spostamenti sul basamento alleggerito 0,02 Spostamenti asse y 0,01 0, ,01 Caso 4-0,02-0,03 Il supporto di banco N.2 presenta uno scostamento -0,04 massimo di ,05 18/21

19 Analisi degli spostamenti sul basamento alleggerito Spostamenti asse z 0,01 0,00-0, ,02-0,03-0,04 Caso 4-0,05-0,06 Il supporto di banco N.2 presenta uno scostamento -0,07-0,08 massimo di ,09 19/21

20 Conclusioni e sviluppi futuri Basamento resistente ai carichi imposti Notevole riduzione della massa (-13.5 kg) Gli spostamenti lungo l asse z risultano essere al limite di quelle ammissibili In futuro: 1. Nuova verifica statica del basamento comprensivo di testata e sottobasamento 2. Verifica a fatica del basamento 3. Analisi delle vibrazioni 4. Comportamento termico della struttura 5. Progettazione di una cinghia per la trasmissione del moto fra l albero motore e l albero elica 20/21

21 GRAZIE PER L ATTENZIONE 21/21