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.

DISEGNO FINALEEcco come si presenta l'albero finito in tutte le sue parti