Ottimizzazione strutturale di un albero motore di un motore diesel di grossa cilindrata Tesi di laurea di: elatore: ALESSANDO GANDI Ing. LUCA PIANCASTELLI Università degli studi di Bologna Facoltà di INGEGNEIA Anno 2005/2006
Sviluppo della tesi Nuovi Componenti: : Bielle e pistoni Analisi dei carichi agenti sul manovellismo Dimensionamento dei perni di banco e di manovella dell albero motore con un programma scritto con MathCAD Vibrazioni torsionali tramite foglio di calcolo Excel Verifica alle frequenze flessionali e simulazione agli elementi finiti dell albero motore Conclusioni e sviluppi futuri
Nuovi componenti: Bielle Ho deciso di utilizzare una lega di titanio Ti-6Al 6Al-4V di densità pari a 443 Kg/m^3 e di progettare queste bielle con una sezione ad H. Biella coltello Peso pari a 0,22 kg anziché 3kg della biella coltello precedentemente utilizzata. Biella forchetta Peso pari a 0,34 kg anziché 3,1 kg della Biella forchetta precedentemente utilizzata.
Nuovi componenti: Pistone e spinotto Pistone: È stato alleggerito solo nella geometria e non nei materiali passando da 2,6 kg a 2 kg Vecchio pistone Nuovo Pistone Spinotto: Abbiamo utilizzato anche qui Ti-6Al 6Al-4V rivestito con keronite che ci ha permesso di raggiungere un peso pari a 0,04 kg
Analisi dei carichi sul manovellismo V12 a 60 del motore VD007 Viene effettuata con un foglio di calcolo excel. Si inseriscono informazioni relative al manovellismo quali pesi dei vari componenti, le dimensioni caratteristiche del manovellismo e la pressione esercitata sul pistone. I risultati ottenuti sono relativi ai perni di manovella per le 2 bielle con sistema fisso e sistema solidale con i perni di biella, e quelli relativi ai perni di banco.
x y = = F F xgas ygas isultanti sul perno di manovella + + 1 2 1 2 ( F ( F ax ay + F + F nel sistema fisso bax bay + + F F brx bry + + F F x M y M ) ) sistema fisso Biella forchetta Biella coltello isultanti testa biella FOK isultanti testa biella blade 160000 160000 140000 120000 140000 120000 y 100000 80000 60000 40000 20000 0-50000 -40000-30000 -20000-10000 0 10000-20000 100000 80000 60000 40000 20000 0-10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 x -40000-20000 x
w z = = isultanti sul perno di manovella nel sistema solidale con la biella x x cos sen β β + y y sen cos β β sistema solidale con la biella Biella forchetta Biella coltello 160000 140000 is.in sistema biella 120000 100000 160000 140000 80000 60000 40000 20000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 is.in sist ema biella 0-8000 -6000-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000-20000 -40000 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000-20000 w
isultanti sui supporti di banco xt sup yt sup = = ( α) x y ( α) + + x ( α ϕ) ( α ϕ) y sistema fisso 300000 250000 200000 xtot sup. ytot sup. = = xblade sup yblade sup + + xfork sup yfork sup 150000 100000 50000 0-200000 -150000-100000 -50000 0 50000-50000 ξ sist tot. manov banco η sist tot. manov banco. = = sist xtot. fisso banco sist xtot. fisso banco senα cosα + sist y tot. fisso banco sist y tot. fisso banco cosα senα sistema manovella risultante sui supporti, sistema manovella 200000 150000 100000 50000-400000 -300000-200000 -100000-50000 0 100000 200000 0-100000 -150000-200000 t o t x
Dimensionamento dei perni di manovella e di banco Utilizziamo un programma scritto con MathCAD elaborato dall Ing Colicchia dove vengono inseriti i carichi del manovellismo ottenuti come visto in precedenza. Lo spessore del meato dovrà essere 1 micron Spessore di fluido 1,464 µm del meato lubrifican te y 0, i Perno di manovella Diametro esterno di 60mm L = 16mm 1 Biella coltello 0.5 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.5 1 x 0, i
Dimensionamento dei perni di manovella e di banco Utilizziamo un programma scritto con MathCAD elaborato dall Ing Colicchia dove vengono inseriti i carichi del manovellismo ottenuti come visto in precedenza. Lo spessore del meato dovrà essere 1 micron Spessore del meato di fluido lubrificante 1,004µm y 0, i Perno di manovella Diametro esterno di 60mm L = 16mm 1 Biella 1 forchetta Biella coltello 0.5 0.5 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 1 0.5 x 0, i
Dimensionamento dei perni di manovella e di banco Utilizziamo un programma scritto con MathCAD elaborato dall Ing Colicchia dove vengono inseriti i carichi del manovellismo ottenuti come visto in precedenza. Lo spessore del meato dovrà essere 1 micron Spessore del meato di lubrificante 1,716µm y 0, i y 0, i Perno di e L = 18 1 1 0.5 0.6 0.5 banco Diametro esterno di 55mm 0.8 0.4 Biella coltello 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 0.6 0.4 0.2 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 0.4 1 0.5 x 0, i
Analisi torsionali L attenzione è stata rivolta all analisi analisi armonica torsionale realizzata mediante il metodo tabellare dell Holtzer integrato nel foglio di calcolo dell Ing. Piccaglia
Analisi torsionali Utilizziamo i diametri esterni precedentemente stabiliti e poniamo come diametri interni 48mm per i perni di manovella e 40mm per quelli di banco. Per il perno più sollecitato, cioè il primo di banco, utilizziamo un diametro interno di 33mm
isultati ottenuti
Modifiche strutturali dell albero Voglio progettare un albero d un d pezzo e quindi ho realizzato le maschette con il baricentro nell asse di rotazione dei perni di banco (per evitare l equilibratura) e gli do una forma che permette di realizzare i fori nei perni in un secondo tempo.
Verifiche dell albero La reticolatura viene effettuata su tutto l elementol Effettuo un reticolo più fitto nelle zone più sollecitate
Verifica della velocità flessionale critica Frequenza flessionale Critica del Secondo modo è di 377 Hz pari ha 21700 rpm
Conclusioni Ho ottenuto un albero d un d pezzo con un peso complessivo di 23,3 kg che è ben inferiore ai 60 kg ottenuti in studi precedenti. Non è stato necessario aggiungere masse equilibratrici poiché l albero è gia equilibrato sull asse di rotazione. Le verifiche sono state tutte soddisfatte.
Conclusioni
Sviluppi futuri Gli sviluppi futuri potranno cercare di utilizzare non più un pistone bimetallico cofuso acciaio/lega- alluminio, ma un pistone interamente di lega di alluminio rivestito del riporto ceramico keronite.