Alma Mater Studiorum-Università degli studi di Bologna Seconda facoltà di Ingegneria Corso di laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica Studio e ottimizzazione di un basamento in ghisa per motore aeronautico CANDIDATO Federico Maggiori RELATORE Chia.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico 2009/2010, Sessione II CORRELATORI Chia.mo Prof. Ing. Vincenzo Dal Re Chia.mo Prof. Ing. Alessandro Ceruti
Vincoli di progetto e obiettivi Progettazione e verifica dimensionale di un basamento motore in ghisa alleggerito a partire da un motore Fiat 1.9JTD in versione aeronautica Vincoli geometrici Parametri cinematici N cilindri e disposizione (4 in linea) Alesaggio (82 mm) Corsa (90.4 mm) Interasse tra i cilindri (90 mm) Vincoli materiale (ghisa grigia G25) R snervamento = 370 MPa R rottura = 400 MPa Modulo elastico = 120 GPa Perché alleggerire? peso ed ingombro contenuto, mantenendo comunque le caratteristiche di affidabilità meccanica assolute
Scelta del materiale Ghisa grigia G25 1) basso costo (rispetto alluminio) 2) elevate proprietà meccaniche 3) discreta colabilità Colata in sabbia; garantisce risparmio di costi e tempo con buona qualità finale Presenza di elementi leganti che migliorano la resistenza a corrosione e riducono la dilatazione termica
Strategia di progetto Riproduzione basamento originale Alleggerimento lav. CNC Analisi dei carichi Rispetto dei vincoli di rigidezza e resistenza Analisi deformazioni Analisi tensioni Analisi FEM Materiale: ghisa grigia G25 Basamento finale
Riproduzione basamento motore assa basamento in ghisa originale: 52.5 kg
Alleggerimento assa finale basamento alleggerito: 42.3 kg
Analisi dei carichi Sollecitazione albero elica Trazione elica Momento giroscopico Forze di massa Forza di richiamata = 2490 N Sollecitazioni albero motore
Sollecitazioni albero motore Non è possibile identificare a priori la condizione più gravosa Studio dei vari casi CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4 #1 #2 #3 #4 FASE R[N] T[N] Espansione Scarico Compressione Aspirazione Aspirazione -13420-231 Scarico Aspirazione Espansione Compressione Compressione 10403 961 Aspirazione Compressione Scarico Espansione Espansione 86440 5076 Compressione Espansione Aspirazione Scarico Scarico 13000 823
Sollecitazioni albero motore e casi in studio
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Caso 1 X [N] Y [N] Z [N] Supporto 0-1 2901 2,6e-5 45980 Supporto 1-2 -13526-3,8e-12 48838 Supporto 2-3 -404-8,74e-13 10478 Supporto 3-4 9116 1,94e-13-2199 Supporto 4-5 -4715 6,32e-13-6676 Caso 3 X [N] Y [N] Z [N] Supporto 0-1 3982 6,06e-7-7527 Supporto 1-2 -7008 7,73e-14-1243 Supporto 2-3 -408-8,03e-13 10079 Supporto 3-4 2583-4,16e-12 53575 Supporto 4-5 5778-3e-12 41539 Caso 2 X [N] Y [N] Z [N] Supporto 0-1 7234 7,49e-6 7590 Supporto 1-2 -14036 2,12e-13-3542 Supporto 2-3 -1080-3e-12 38227 Supporto 3-4 6220-3,9e-12 51437 Supporto 4-5 -4967-8,61e-14 2711 Caso 4 X [N] Y [N] Z [N] Supporto 0-1 7179 1,95e-6 2787 Supporto 1-2 -15982-3,97e-12 51425 Supporto 2-3 -1125-2,96e-12 38131 Supporto 3-4 8215 2,24e-13-2861 Supporto 4-5 -4916-4,6e-14 6940
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Analisi delle tensioni Non si può individuare a priori il caso più sollecitato Si procede per tentativi inserendo i dati nel programma Ansys
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Dalle analisi effettuate il caso più sollecitato è il N 3 La fase di espansione del cilindro 4 causa una #1 #2 #3 #4 concentrazione elevata delle tensioni sul lato FASE ASPIRAZIONE COMPRESSIONE SCARICO ESPANSIONE accoppiamento riduttore
Sollecitazioni albero motore e casi in studio 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
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Analisi delle deformazioni Necessaria per la riuscita del progetto Non avendo dei riferimenti limite standard da assumere considereremo come deformazioni limite ammissibili quelle riscontrate sul basamento originale Caso più svantaggioso #1 #2 #3 #4 FASE COMPRESSONE ESPANSIONE ASPIRAZIONE SCARICO
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Confronto tra le deformazioni tra basamento originale e basamento alleggerito: Asse x Asse y il supporto di banco N.3 ha uno scostamento massimo di 4 millesimi di mm. rispetto alla deformazione del basamento originale sotto carico
Sollecitazioni albero motore e casi in studio Il disegno del basamento alleggerito provvisorio diventa a tutti gli effetti anche quello definitivo N.B.: è necessario effettuare anche un analisi sulle deformazioni del basamento indotte dai carichi termici
Conclusioni e sviluppi futuri Basamento resistente ai carichi imposti (tensioni statiche e rigidezza) Perfetta intercambiabilità con il basamento originale in ghisa Sviluppo completo ed analitico delle problematiche progettuali inerenti i temi di resistenza e rigidità In futuro: 1)Verifica a fatica del basamento 2)Analisi delle vibrazioni 3)Comportamento termico della struttura 4)Formulazione del modello per fonderia