Studio ed ottimizzazione di un albero motore per un 16V ad accensione comandata

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1 Studio ed ottimizzazione di un albero motore per un 16V ad accensione comandata Tesi di Laurea di Michele Bencivenni Relatore : Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatore : Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfrendo Liverani Ing. Cristina Renzi Alma Mater Studiorum - Università degli Studi di Bologna - A.A. 2007/2008 1

2 Obiettivi Trasforamzione da un quattro cilindri in linea a un 16 V55 Ottimizzazione geometrica e alleggerimento dell albero a gomiti Analisi dei carichi agenti sul manovellismo Verifica strutturale FEM dell albero a gomiti Verifica armonica torsionale dell albero a gomiti 2

3 Modifiche dei perni dell albero a gomiti ( 4 in linea 16V) -I perni di banco passano da ø54 a ø72 per ridurre le vibrazioni torsionali. Si adotta poi un foro passante ø32 per mantenere contenuti i pesi -I perni di manovella passano da ø34 a ø36 con un foro passante ø18 3

4 Modifiche alle maschette dell albero a gomiti - Si utilizza una disposizione delle maschette di stampo puramente aeronautico Il numero di maschette per 4 perni di manovella passa a 6 anziché 8 - I contrappesi non sono più sagomati nelle maschette ma sono un corpo a se stante imbullonato alla flangia sulla prima maschetta 4

5 Albero ottenuto - Peso = 12,4 kg - Lunghezza = Materiale = 300M 5

6 Motore ottenuto Tipo: 16 cilindri a V40, 4 tempi, raffreddato a liquido; Cilindrata: 3992cc; Potenza massima: 618 kw a 14500rpm; Coppia massima: 472 Nm a 12500rpm. 6

7 Analisi manovellismo Ho utilizzato un foglio di calcolo in Excel che restituisce come output i carichi agenti sugli organi di macchina esplicitati in funzione dell angolo di manovella πd Fg = ( p (α ) p0 ) 4 Fa = m a ω 2 2 r ( cos α + λ cos 2α Fr = mrω r ) 2 7

8 Analisi manovellismo 8

9 Diagrammi polari perno di manovella Le componenti delle forze trasmesse dalla biella al perno di manovella sono: La risultante è: 9

10 Diagrammi polari perni di banco Supporti di banco estremi Supporti di banco intermedi Ordine di accensione: φ= ritardo di fase del cilindro 2 rispetto a 1 10

11 Diagrammi polari perni di banco 11

12 Analisi strutturale Impostazione software Ansys Geometria: Vincoli: ho importato l assembly da Solid Edge 1 vincolo fisso su perno di banco estremo 3 vincoli cilindrici su altri perni di banco Mesh: elementi di 3(mm) su tutto albero con infittimento mirato su primo perno di banco interno che è il più sollecitato 12

13 Analisi strutturale 13

14 Forze applicate Dal foglio Excel usato per i carichi di manovella, prendo l angolo in corrispondenza del quale si ha la prima accensione in un cilindro, e rilevo il valore totale dei carichi radiali e tangenziali agenti sul primo perno di manovella Dalla tab. Excel prendo tutti i valori delle forze relative agli altri perni di manovella per quell angolo 14

15 Forze applicate 15

16 Soluzione ottenuta Il software FEA Ansys fornisce come output un valore delle tensioni equivalenti secondo Von Mises basso. Esse infatti raggiungono un valore massimo di 489 Mpa in corrispondenza del raggio di raccordo del primo perno di banco. Questo valore permette di avere un coefficiente di sicurezza di 3,5, per l acciaio 300M che ha un carico di snervamento di 1710 Mpa 16

17 Soluzione ottenuta 17

18 Soluzione ottenuta 18

19 Confronto con altre soluzioni ipotizzate Albero con appoggio interno unico Massa molto minore (10,4 kg) Instabilità maggiore Albero con perni di banco stretti Più compatto a scapito di leggero aumento delle tensioni Adatto per bancate con supporti in alluminio Utilizzo adatto a prestazioni elevatissime 19

20 Analisi vibrazioni torsionali L analisi torsionale armonica è stata realizzata mediante il metodo tabellare dell Holzer (metodo certificato Lloyd FAA) integrato nel foglio di calcolo dell ing. Piccaglia. Albero equivalente: in questo caso esso è un albero rettilineo privo di massa propria, portante 9 masse volaniche dove le prime 8 sono i cilindri e l ultima è l elica. 20

21 Analisi vibrazioni torsionali Momento d inerzia polare delle masse volaniche (J1= = J8) è composto da: 1) Momento masse alterne 2) Momento polare biella: 3) J della porzione di albero che interessa ogni singolo cilindro La formula per determinare la lunghezza dell albero equivalente è: La relazione della rigidezza è: 21

22 Principali input Il primo input riguarda le rigidezze K e i Momenti di inerzia J dei vari tratti d albero 22

23 Principali input Il secondo input riguarda le caratteristiche meccaniche principali del motore 23

24 Scelta dell ordine di accensione Per avere un momento motore più regolare possibile si è fatto in modo che la bancata di destra avesse un accensione ogni 90 Il motore è un V55 quindi nel complesso delle due bancate ho alternativamente uno scoppio a 35 e a 55 24

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26 Determinazione dei modi propri Il metodo dell Holzer consiste nella risoluzione dell equazione: Dove θi sono gli spostamenti angolari delle m masse volaniche Tale problema si risolve con varie ω di tentativo. Ciò è stato eseguito con un primo foglio di calcolo Excel che riporta la soluzione della relazione precedente al variare di ω c c 26

27 Determinazione dei modi propri 27

28 Analisi armonica E conveniente determinare separatamente le componenti armoniche della pressione tangenziale dovute ai gas e quelle dovute alle forze alterne di inerzia Masse alterne Pressione gas 28

29 Analisi armonica Tale analisi è stata eseguita con un secondo foglio di calcolo in Excel ideato dall ing Piccaglia 29

30 Diagramma degli sforzi di torsione Introduco dei parametri: X= rapporto di frequenza tra n giri motore e regime di risonanza Ax = amplificazione dinamica con Tk= ampiezza risultante della componente armonica di ordine k 30

31 Diagramma degli sforzi di torsione Dal terzo foglio Excel ottengo come output il diagramma degli sforzi torsionali 31

32 Diagramma degli sforzi di torsione Tale diagramma si mantiene sempre al di sotto delle curve del Lloyd. Ciò significa che le vibrazioni torsionali sono accettabili per gli enti normativi 32

33 Analisi modale , 63 Frif 60 33

34 Conclusioni e sviluppi Lo studio è andato a buon fine in quanto sono riuscito ad ottenere un ottima compattezza,un buon rapporto peso-potenza in un albero a gomiti per un motore a 16 cilindri. Tutto questo senza rinunciare alla resistenza strutturale e alla completa Equilibratura (100%). 34