STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI

UN ALBERO MOTORE PER UN

6 CILINDRI DIESEL

Candidato

Nicola Di Marco

Relatore

Prof. Ing. Luca Piancastelli

Correlatori

Giacomo Caroli

Ing. Cristina Renzi

AA 2007-2008 Sessione II

Università degli studi di Bologna

Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Tesi di laurea in disegno assistito dal calcolatore

AA 2007-2008 Sessione II

Università degli studi di Bologna

Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Obbiettivi:

Ottimizzazione dell’albero e verifica strutturale a

torsione e flessione

Equilibratura dell’albero motore alle forze

centrifughe

Dimensionamento del volano

Dimensionamento delle bielle e delle viti per la

testa, dei pistoni e verifiche strutturali

Equilibratura delle forze alterne di inerzia

Analisi delle frequenze di vibrazione

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Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Situazione di partenza:

L’albero che ho studiato deriva dal motore

VD007 oggetto della tesi dell’Ing. Angelini.

L’albero non era equilibrato, non presentava

condotti per la lubrificazione e non resisteva

ai carichi cui era sottoposto.

Inoltre l’albero, i pistoni e le bielle avevano

ampi margini di miglioramento per quanto

riguarda le masse e le dimensioni.

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Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Situazione di partenza:

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Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Situazione di partenza:

Per quanto riguarda i materiali, ho scelto:

Acciaio 300M per l’albero motore

Lega di alluminio 7075-T6 per i pistoni e i

cilindri per i condotti dell’olio

Lega del titanio per le bielle

Ghisa e tungsteno per il volano

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Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Ottimizzazione dell’albero:

In campo aeronautico sono fondamentali

masse e dimensioni ridotte, unite ad alte

resistenze dei pezzi.

Per questo ho ridimensionato i perni

dell’albero e le maschette, ottenendo ottimi

risultati nelle caratteristiche sopra citate.

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Ottimizzazione dell’albero:Perni di banco iniziali:

Massa 794 g

Lunghezza 60 mm

Diametro maggiore 61 mm

Diametro minore 55 mm

Perni di banco finali centrali:

Massa 1065 g

Lunghezza 75 mm

Diametro maggiore 55 mm

Diametro minore 49 mm

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Ottimizzazione dell’albero:Perni di banco iniziali:

Massa 794 g

Lunghezza 60 mm

Diametro maggiore 61 mm

Diametro minore 55 mm

Perni di banco finali centrali:

Massa 1065 g

Lunghezza 75 mm

Diametro maggiore 55 mm

Diametro minore 49 mm

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Ottimizzazione dell’albero:Perni di manovella iniziali:

Massa 788 g

Lunghezza 88 mm

Diametro maggiore 66 mm

Diametro minore 60 mm

Perni di manovella finali:

Massa 830 g

Lunghezza 82 mm

Diametro maggiore 46 mm

Diametro minore 40 mm

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Ottimizzazione dell’albero:

Maschette iniziali:

Massa 1111 g

Spessore 22 mm

Maschette finali:

Massa 248 g

Spessore 19 mm

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Ottimizzazione dell’albero:

Maschette iniziali:

Massa 1111 g

Spessore 22 mm

Maschette finali:

Massa 248 g

Spessore 19 mm

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Ottimizzazione dell’albero:

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Ottimizzazione dell’albero:

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Lubrificazione:

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Verifica strutturale dell’albero:Coefficiente

minimo di

sicurezza

Sollecitazione

massima

Coefficiente

minimo di

sicurezza

Sollecitazione

massima

Secondo

perno di

manovella

Secondo perno

di manovella

Terzo perno di

manovella

Terzo perno di

manovella

2,1 7,61 108 N/m2 2,2 6,43 108 N/m2 α = 0°

1,1 1,4 109 N/m2 1,1 1,4 109 N/m2 Quadratura

α = 45°

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Verifica strutturale dell’albero:

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Verifica strutturale dell’albero:

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Verifica strutturale dell’albero:

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Equilibratura delle forze

centrifughe: Fr = mr ω2 r

Maschetta finale:

Massa 723 g

Raggio 18,15 mmAA 2007-2008 Sessione II

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Equilibratura delle forze centrifughe:

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Dimensionamento del volano:Il volano è un organo, a forma di disco, cui è

affidato il compito di limitare le fluttuazioni

della velocità angolare dell’albero. Il volano,

cioè, deve regolarizzare il più possibile

l’andamento nel tempo della velocità angolare

sfruttando la propria inerzia.

Si pone il volano in grado di assorbire

l’incremento massimo di energia cinetica della

macchina, ossia il lavoro massimo di

fluttuazione ΔL: ΔL = I ω2 δ

Massa = 4,47 kg

Verificato a forza centrifuga

Cava per

Linguetta B 8x7x22

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Dimensionamento del volano:

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Pistoni: Massa 1222 g

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Pistoni: Massa 1222 g

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Pistoni: Massa 1222 g

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Bielle:Sistema biella

fork-blade

Verifiche cui

sottoporre le bielle:

Compressione

Trazione

Carico di punta

Colpo di frusta

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Bielle:TRAZIONE

Biella blade

COMPRESSI

ONE

Biella blade

TRAZIONE

Biella fork

COMPRESSI

ONE

Biella fork

1,1 1,1 1,1 1,1 Coefficiente

minimo di

sicurezza

9,91 108

N/m2

9,91 108

N/m2

1,01 109

N/m2

1,01 109

N/m2

Massima

sollecitazione

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Bielle:Sistema biella

fork-blade

Verifiche cui

sottoporre le bielle:

Compressione

Trazione

Carico di punta

Colpo di frusta

Verifica a carico di punta

mediante la formula di

Rankine:

σCR > σ del carico

applicato

Verifica a colpo di frusta

a una distanza di 0,6 l

dal centro del piede

Lunghezza bielle 180 mm

Sezione ad H

Biella blade (sx):

Massa 663 g

Biella fork (dx):

Massa 937 g

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Equilibratura delle forze alterne

di inerzia: F’a = ma ω2 r (cos α)

Fa” = ma ω2 r l (cos 2 α)

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Equilibratura delle forze alterne di inerzia:

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Studio delle frequenze di

vibrazione dell’albero:

f = n / 60 = 167 Hz

L’importante è che i vari modi di vibrazione abbiano

frequenze alte, maggiori almeno della frequenza

di vibrazione dell’albero, evitando fenomeni di risonanza.

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Risultato finale:Lo studio eseguito ha portato risultati

soddisfacenti. Rispetto all’albero di partenza, si

sono ottenuti notevoli miglioramenti per quanto

riguarda la massa dell’albero a gomiti e la sua

lunghezza. Si è passati infatti da 737 a 672 mm

e da 14,433 a 10,25 kg, aggiungendo all’albero

anche i pistoni e gli spinotti, le bielle e il volano

si raggiunge una massa complessiva di

32,9 kg.

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Risultato finale:

AA 2007-2008 Sessione II

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Ringraziamenti:Prof. Luca Piancastelli

Giacomo Caroli

Cristina Renzi

I miei genitori

I miei compagni di corso e i miei amici

I presenti