UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica ELABORATO FINALE DI LAUREA In Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI FATTIBILITA DEL BASAMENTO BOXER 8 CILINDRI DEL MOTORE VD007 CANDIDATO Tiziano Elia RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 OBBIETTIVO Valutazione della possibilità di conversione del motore VD007 da 12 cilindri a V di 60 ad un motore boxer a 8 cilindri. Progettazione del basamento. Verifica resistenza del basamento attraverso FEA (analisi elementi finiti). Adattamento ed assemblaggio del manovellismo di spinta e della testata già sviluppati per il VD007. 2

3 VD007 Il basamento da me sviluppato ha dovuto mantenere molte specifiche tecniche del motore VD007 da cui deriva. Il VD007 è un motore aeronautico ad accensione per compressione common-rail, dodici cilindri a V di 90, cc di cilindrata e 2200 CV di potenza erogata a 5000 rpm. 3

4 VINCOLI PROGETTUALI E SPECIFICHE TECNICHE RICHIESTE Potenza erogata di almeno 1600CV Alesaggio 142mm e corsa 108mm Rapporto di compressione 15.5:1 Rendimento superiore al 35% Riduzione del peso e degli ingombri rispetto al VD007 4

5 SCELTA DISPOSIZIONE CILINDRI La ragione per cui è stato scelto di sviluppare un motore con schema boxer è che tale architettura garantisce al motore ingombri e massa contenuti. Inoltre la maggior parte dei vani motore dei velivoli esistenti sono progettati per l alloggiamento di motori boxer. 5

6 SCELTA ALBERO MOTORE L albero motore che ho utilizzato è un albero piatto. Questo significa che tra le manovelle interne e quelle esterne c è un angolo di 180. In questo modo l albero risulta già equilibrato senza dover ricorrere a masse aggiuntive per l equilibratura. E realizzato in acciaio 300M e deriva da quello sviluppato dall Ing. Renzi per il VD007. 6

7 MANOVELLISMO DI SPINTA BIELLA FORCHETTA BIELLA COLTELLO 7

8 ACQUISIZIONE DI ELEMENTI DAL VD007 Il pistone (progettato dall Ing. Vangelisti) bimetallico (Alluminio ed Acciaio). La biella a coltello e forchetta(lega di Titanio). L albero a gomiti. La testata (progettata dall Ing. Zaccaria). 8

9 PROGETTAZIONE BASAMENTO Il basamento e le canne dei cilindri sono realizzati in lega di alluminio GD AlSi9 MgMn. È costruito attraverso fusione in terra. È formato da 2 semigusci simmetrici. Il basamento, i cilindri e la testata sono tenuti insieme da 10 tiranti(4 per cilindro) invece dei classici prigionieri. 9

10 PROGETTAZIONE BASAMENTO Il dimensionamento di massima del basamento è vincolato dalle dimensioni assiali e radiali dell albero a gomiti e delle bielle Lunghezza assiale Raggio di manovella Distanza tra i supporti di banco Lunghezza biella = 660mm = 54mm = 156mm = 132mm 10

11 Primo disegno del basamento 11

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13 SISTEMA DI LUBBRIFICAZIONE CONDOTTO DELL OLIO 13

14 SISTEMA DI LUBBRIFICAZIONE TIRANTE 14 BRONZINA

15 RINGROSSO CON ANELLO O-RING RINGROSSI CON SCANALATURE CONDOTTI 15 PER UGELLI

16 SISTEMA DI LUBBRIFICAZIONE UGELLI CONDOTTI PER UGELLI UGELLI 16

17 VERIFICA DEL BASAMENTO Il motore deve funzionare subendo accelerazioni fino a 6g. In queste condizioni il peso di ogni componente diventa sei volte maggiore. Nel cilindro, tra la testa ed il pistone, durante la combustione si ha una pressione massima di 19MPa. Forze che si scaricano sui punti di fissaggio del motore al telaio. Forze che si scaricano sui supporti di banco. 17

18 VERIFICA DEL BASAMENTO Calcolo forza a cui devono essere precaricati i tiranti: Forza_tirante = 2.5 * Pressione * Area_pistone / 4 = 2.5 * 19 MPa * mm² / 4 = = 188 kn Calcolo pressione che agisce su sperficie di appoggio della testata: Pressione = Forza_tirante * N tiranti / Sup_di_appoggio_testata = 1880 kn / mm² = 73.5 MPa Calcolo forza che agisce su supporti di banco dell albero motore: Forza_supporti = Forza_tirante * 2 = 376 kn 18

19 VERIFICA DEL BASAMENTO Peso con accellerazione di 6g: Peso dei principali componenti: Albero = N Albero = N Biella = 9.58 N Pistone = N Testata = 627 N Biella = g Pistone = 100 Testata = 3762 TOTALE = 5885 N 19

20 VERIFICA DEL BASAMENTO Utilizzo del programma CosmosWorks per l analisi agli elementi finiti. Reticolatura del modello Inserimento dei dati necessari al programma per eseguire lo studio: Pressioni Forze Vincoli Materiali 20

21 VERIFICA DEL BASAMENTO Risultati dello studio statico: Spostamenti Forze di reazione Deformazioni Sollecitazioni Coefficienti di sicurezza 21

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24 VERIFICA DEL BASAMENTO Necessità di rinforzare ed irrigidire il basamento, soprattutto nella parte superiore. Ho sviluppato e verificato due possibili soluzioni al problema Irrigidimento inserendo un rinforzo in lega di titanio nel basamento Progettare una coppa dell olio supplementare, posta superiormente al motore, simmetrica a quella inferiore, con funzione di irrigidimento. 24

25 RINFORZO IN LEGA DI TITANIO 25

26 GRAFICO SPOSTAMENTI 26

27 GRAFICO COEFFICIENTI DI SICUREZZA 27

28 MOTORE A DOPPIA COPPA 28

29 GRAFICO SPOSTAMENTI 29

30 GRAFICO COEFFICIENTI DI SICUREZZA 30

31 GRAFICO COEFFICIENTI DI SICUREZZA 31

32 VANTAGGI DEL MOTORE A DOPPIA COPPA Maggiore rigidità e robustezza Maggiore economicità di produzione Possibilità di pescare l olio anche in posizione rovesciata Minore lavoro di pompaggio dell albero motore SVANTAGGI Ingombri e massa leggermente superiori DI CONSEGUENZA IL MOTORE MIGLIORE È RISULTATO QUELLO A 32 DOPPIA COPPA

33 ASSEMBLAGGIO FINALE 33

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35 SVILUPPI FUTURI I futuri passi da svolgere verso il completamento di questo lavoro saranno: Realizzazione sistema di aspirazione e di scarico. Studio di un sistema di distribuzione idoneo, con la possibilità di utilizzare pulegge e cinghie dentate. Verificare il dimensionamento dell albero motore e delle bielle. Progettare e studiare il posizionamento delle pompe dell acqua e dell olio, nonché di tutti gli accessori come i filtri dell aria e dell olio, i radiatori, gli alternatori ed il motorino d avviamento. 35

36 CONCLUSIONI Lo studio di fattibilità del basamento motore a 8 cilindri in versione boxer ha portato a una riduzione delle dimensioni e del peso rispetto alla versione a V del propulsore. Il motore risulta essere molto rigido ed ha evidenziato ottime qualità di resistenza alle sollecitazioni, che è quello che serve per costruire un motore prestazionale ed affidabile. Inoltre la semplicità e la simmetria del basamento permettono un notevole risparmio nei costi di produzione. 36

37 CONCLUSIONI Cilindrata cm³ Peso (solo basamento) 50 Kg circa Dimensioni (solo basamento) Lunghezza: 64 cm; Larghezza: 50 cm; Altezza: 35 cm Potenza teorica 1600/1700 Cv 37