OTTIMIZZAZIONE DI UN MOTORE DIESEL DUE TEMPI PER AEROPLANI SENZA PILOTA D'ALTA QUOTA
RELATORE:Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli
CORRELATORE:Prof. Ing. Gianni CaligianaProf. Ing. Alfredo Liverani
Dott. Ing. Cristina Renzi
CANDIDATO:Matteo Marconi
Università degli Studi di Bologna – Facoltà di Ingegneria – A.A. 2007/2008 –19/12/2008
OBIETTIVI DELLA TESI
Progettare un albero motore per un 6 cilindri boxer destinato ad uso aeronautico.Il motore è installato su un aereo che rimane in volo per lunghi periodi senza la possibilità di effettuare manutenzioni di alcun tipo.
OBIETTIVI COMPLEMENTARI
passaggio all'utilizzo di bronzine in luogo dei cuscinetti e gabbie studio e dimensionamento del relativo circuito di lubrificazione forzata realizzazione dell'albero motore in un sol pezzo.
REQUISITI FONDAMENTALI
Robustezza Controllo delle vibrazioni Affidabilità Leggerezza
SVILUPPO DELLA TESI
ANALISI DEL MOTORE E CARATTERISTICHE PARTICOLARI DELL'IMBIELLAGGIO
Valutazione delle pressioni Calcolo delle accelerazioni
Valutazione delle masse in movimento Definizione layout generale
DIMENSIONAMENTO DEI DIAMETRI PRINCIPALI
Calcolo dei momenti Scelta del materiale
Calcolo dei diametri minimi per assi e perni Assegnazione diametri finali
VERIFICA A FATICA DELLE PARTI
Valutazione tipo di sollecitazione Verifica secondo UNI 7670
DIMENSIONAMENTO CONTRAPPESI PER IL BILANCIAMENTO
Definizione forze centrifughe Definizione forze d'inerzia alterne
Calcolo contrappeso per forze centrifughe Calcolo contrappeso per forze alterne
ANALISI DEL MOTORE Il motore in progetto è un 2 tempi diesel e ha un architettura a 6 cilindri contrapposti La potenza è di 180kW a 5600 rpm con una coppia di 307 Nm, la pressione massima in camera di combustione può raggiungere i 140 bar. L'albero è composto da 3 coppie di manovelle che spingono i pistoni in maniera contrapposta, ogni coppia è sfasata di 120º rispetto all'altra; questa configurazione è particolarmente valida in quanto permette di annullare automaticamente ogni forza d'inerzia residua che agisce sul carter.
Massa organi in movimento
Parti in moto alterno
Massa pistone = 0,7 kgMassa della biella considerata
in moto alterno = 0,2 kg
Massa totale = 0,9 kg
Parti in moto rotatorio
Massa dei perni = 0,29 kgMassa dei foderi = 0,04 kgMassa rotante della biella = 0,49 kg
Massa totale = 0,82 kg
Masse organi in movimento
Accelerazione che genera le forze alterne:
a = ω²r(cosα + λcos2α)
Sommando tutti i contributi d'inerzia e le forze di pressione si ottengono le sollecitazioni che si scaricano sull'imbiellaggio:
R = Fa+ F
r+ F
g
R = 47190 N al P.M.S.
R = 17330 N al P.M.I.
DIMENSIONAMENTO
MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO AL CARICO
M = P · l²/8 = 224Nm
valore massimo al centro del perno
MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO ALLA COPPIA
M = Ft· l = 216 Nm
valore massimo all'estremità lato trasmissione del perno
M = 216,2 / 2 = 108 Nmvalore al centro del perno
MOMENTO FLETTENTE SUI PERNI DOVUTO ALLE SPINTE DELLE BIELLE
M = R · l' · (l-l') / 2l = 764 Nm
valore massimo nel centro dei perni
Le sollecitazioni sugli assi sono molto inferiori e questo è dovuto al bilanciamento dell’architettura 6 cilindri boxer
MATERIALE 300M
41SiNiCrMoV76
σr= 1930 MPa
σs
= 1710 MPaρ = 7835 Kg/m³
Tensione ammissibile con C.S. = 3
σamm
= 570 MPa
Le dimensioni orizzontali dell'albero sono già definite dal progetto generale del motore.I diametri delle sezioni resistenti sono definiti con le relazioni di costruzione:
Diametro minimo degli assi:
D = 17,5 mm (d = 5,5 mm)
Diametro definitivo assi:
D = 34 mm (d = 22 mm)
Diametro minimo dei perni:
D = 28,5 mm (d = 16,5 mm)
Diametro definitivo perni:
D = 36 mm (d = 24 mm)
I diametri definitivi sono molto maggiorati rispetto ai minimi necessari al fine di scongiurare fenomenidi fatica e resistenze ridotte a causa di fori per la lubrificazione, effetti intaglio e altre imperfezioni.Inoltre limitando al massimo le flessioni dell'albero si riducono drasticamente deleterie vibrazioni.
VERIFICA A FATICA
TIPO DI SOLLECITAZIONE
Flessione rotante con:
σmax
= 298 Mpaσ
min= 128 MPa
VERIFICA SECONDO UNI 7670
Numero di cicli: 2 miliardiPiu di un anno di funzionamento
σmax
= 298 Mpaσ
min= 128 MPa
L'albero ha superato la verifica secondo norma UNI 7670 con margine, su un numero di cicli superiore ad un anno intero di funzionamento
BILANCIAMENTOBILANCIAMENTO DI OGNI COPPIA DI MANOVELLE
Bilanciamento forze centrifughe:
mr
= mp
+ mm
+ mbr
mr
= 0,29 + 0,04 + 0,49 = 0,82 kg
I contrappesi con baricentro spostato alla giusta distanza rc
dal centro di rotazione generano le forze opposte che annullano il momento; il rapporto che individua il contrappeso è:
mc
∙ rc= 18,45
Bilanciamento forze alterne d'inerzia di primo grado:
I' = 0,5 ∙ ma
∙ ω² ∙ r = 6963 N con ma= 0,9 kg
Quindi il momento che dovremo bilanciare è :M = I' ∙ b = 362,1 Nmrapporto tra il peso e il raggio del contrappeso:
mc' ∙ r
c' = 0,5 ∙ m
a∙ (b/c) ∙ r m
c' ∙ r
c' = 10
ENTITA' TOTALE CONTRAPPESI
Uniamo i due contributi che definiscono losbilanciamento voluto per la costruzione dellemaschette e poniamo che i due raggi sianocoincidenti:rc= r
c'
quindi:
mc' ∙ r
c= 10 m
c∙ r
c= 18
(mc+ m
c') = m
tmassa totale maschetta
La massa totale della maschetta mtdeve avere il
baricentro posizionato ad un raggio tale che:
mt∙ r
c= 28 con r
cespresso in millimetri.
La relazione tra masse e posizione del baricentro è stata verificata per prove successive con l'ausilio del modellatore grafico Solid Works che permette una rapida verifica delle proprietà fisiche dei modelli disegnati.E' stato appositamente lasciato della massa in più come margine necessario all'officina per la foratura durante la verifica manuale alla macchina equilibratrice.