Studio ed ottimizzazione Studio ed ottimizzazione delldell’’imbiellaggio per un motore imbiellaggio per un motore

diesel aeronautico diesel aeronautico ad altissime prestazioniad altissime prestazioni

Tesi di Laurea diTesi di Laurea diCarlo Ricci MaccariniCarlo Ricci Maccarini

Relatore: Relatore: Prof.Prof. Ing. Luca PiancastelliIng. Luca Piancastelli

Correlatori:Correlatori:Prof. Ing. Gianni Caligiana

Prof. Ing. Gian Paolo Cammarota

Alma Alma MaterMater StudiorumStudiorum -- UniversitUniversitàà degli Studi di Bologna degli Studi di Bologna -- A.A. 2005/2006A.A. 2005/2006

ObbiettiviObbiettivi

Scelta delle specifiche tecniche per il dimensionamento Scelta delle specifiche tecniche per il dimensionamento di massima degli organi di macchinadi massima degli organi di macchinaAnalisi dei carichi agenti sul manovellismoAnalisi dei carichi agenti sul manovellismoScelta dei materialiScelta dei materialiModellazione solida CADModellazione solida CADVerifica strutturale FEM delle componentiVerifica strutturale FEM delle componentiVerifica armonica torsionale per lVerifica armonica torsionale per l’’albero a gomitialbero a gomiti

Studio di massimaStudio di massima

Potenza massima garantita 1500 CVPotenza massima garantita 1500 CVCiclo di indicatore del motore 1900 JTD a Ciclo di indicatore del motore 1900 JTD a pieno carico e regime di potenza massimapieno carico e regime di potenza massima

1.1. PPmaxmax = 160 bar= 160 bar2.2. Pressione di aspirazione = 2.5 bar Pressione di aspirazione = 2.5 bar 3.3. Esponente politropica di compressione n = 1,33Esponente politropica di compressione n = 1,334.4. Rapporto di compressione di r = 15,5:1Rapporto di compressione di r = 15,5:1

Specifiche di progettoSpecifiche di progetto

Cilindrata 7.0 litriCilindrata 7.0 litriFrazionamento ed architetturaFrazionamento ed architettura

12 cilindri a V 9012 cilindri a V 90°°CCmm pistone compatibile con TBO di 3000 h pistone compatibile con TBO di 3000 h CCmm = 16.4 m/s= 16.4 m/s s = 49,2 mms = 49,2 mmD = 123 mmD = 123 mm D/s = 2.5D/s = 2.5Lunghezza biella 130 mmLunghezza biella 130 mm r/l =0,19r/l =0,19

Specifiche di progettoSpecifiche di progetto

Altri input di progetto:Altri input di progetto:Distribuzione a 4 valvole per cilindroDistribuzione a 4 valvole per cilindroAlbero a gomiti montato su 7 supporti di bancoAlbero a gomiti montato su 7 supporti di bancoIniezione del combustibile con doppio iniettore Iniezione del combustibile con doppio iniettore pompa ad otturatore piezoceramicopompa ad otturatore piezoceramicoCielo del pistone con doppia camera di combustioneCielo del pistone con doppia camera di combustione

Idea di fondo:Idea di fondo:Ricerca della massima prestazioneRicerca della massima prestazioneContenimento assoluto delle masseContenimento assoluto delle masse

i

1η*k

Analisi dei carichiAnalisi dei carichiSi Si èè realizzato un foglio di calcolo in grado di realizzato un foglio di calcolo in grado di risolvere i carichi sugli organi di macchina risolvere i carichi sugli organi di macchina esplicitati in funzione dellesplicitati in funzione dell’’angolo di manovella.angolo di manovella.

MaterialiMateriali

Analisi dello stato dellAnalisi dello stato dell’’arte per quel che riguarda la costruzione dei arte per quel che riguarda la costruzione dei componenti in oggetto di studiocomponenti in oggetto di studio

Analisi metallografica e microstrutturale di pistoni per motori Analisi metallografica e microstrutturale di pistoni per motori a combustione a combustione interna ciclo otto e diesel interna ciclo otto e diesel

Adozione di materiali pregiatiAdozione di materiali pregiati

Compositi a matrice metallica Compositi a matrice metallica CMMCMM -- PISTONEPISTONE

Leghe di Titanio (TiLeghe di Titanio (Ti--6Al6Al--4V, STA) 4V, STA) -- BIELLA E SPINOTTOBIELLA E SPINOTTO

Acciai speciali ad alta resistenza (300M) Acciai speciali ad alta resistenza (300M) -- ALBERO A GOMITIALBERO A GOMITI

Lega di Tungsteno ad alta lavorabilitLega di Tungsteno ad alta lavorabilitàà ((CMWCMW®® 3970) 3970) -- CONTRAPPESICONTRAPPESI

Tecnologie di processo senza compromessiTecnologie di processo senza compromessi

Metallurgia delle polveriMetallurgia delle polveri

Lavorazioni alle macchine utensiliLavorazioni alle macchine utensili

Disegno del pistoneDisegno del pistone

fori passaggio lubrificante

anello in ghisa

Massa complessiva pistone = 1,060 Kg

Analisi pistoneAnalisi pistone

Analisi strutturale FEM Ansys Workbench 10.0 Analisi strutturale FEM Ansys Workbench 10.0 ::Ricostruzione della Ricostruzione della distribuzione di temperaturedistribuzione di temperature di eserciziodi esercizioLinearizzazione del gradiente di temperaturaLinearizzazione del gradiente di temperaturaLinearizzazione delle proprietLinearizzazione delle proprietàà meccaniche del materiale meccaniche del materiale

Analisi con Ansys Workbench 10.0Analisi con Ansys Workbench 10.0

Importazione del modello CAD e suddivisione Importazione del modello CAD e suddivisione negli elementi negli elementi linearizzatilinearizzatiDefinizione di vincoli e carichiDefinizione di vincoli e carichiDefinizione della MeshDefinizione della MeshRisoluzione del calcolo determinazione della Risoluzione del calcolo determinazione della tensione nominale secondo il criterio di Von Misestensione nominale secondo il criterio di Von Mises

La tensione equivalente si mantiene al di sotto deiLa tensione equivalente si mantiene al di sotto dei125 MPa125 MPa

In accordo con le verifiche sperimentali, le In accordo con le verifiche sperimentali, le proprietproprietàà meccaniche del materiale e le meccaniche del materiale e le osservazioni fatte sulla rapiditosservazioni fatte sulla rapiditàà della variazione della variazione del carico, il componente risulta verificatodel carico, il componente risulta verificato

Disegno della biellaDisegno della biellaIl disegno definitivo della biella Il disegno definitivo della biella èè stato ottenuto dopo stato ottenuto dopo

una selezione accurata fra varie possibilituna selezione accurata fra varie possibilitàà di di realizzazione offerte da materiali e processi di realizzazione offerte da materiali e processi di

produzione alternativi privilegiando anzitutto la produzione alternativi privilegiando anzitutto la rigidezza specificarigidezza specifica

Massa complessiva biella = 638 g

Analisi StrutturaleAnalisi Strutturale

’’effettuare leffettuare l’’analisi strutturale si analisi strutturale si èèrisolvere per intero lrisolvere per intero l’’assieme assieme

--BIELLABIELLA--MANOVELLA. MANOVELLA.

accoppiamenti cinematici.accoppiamenti cinematici.

NellNell preferitopreferito

SPINOTTOSPINOTTOTale soluzione presenta a fronte di tempi di calcolo piTale soluzione presenta a fronte di tempi di calcolo piùùprolungati la garanzia della corretta considerazione degli prolungati la garanzia della corretta considerazione degli

σσmaxmax<620 MPa<620 MPaIl valore di Il valore di --6Al6Al--4V 4V èè di 1100 MPadi 1100 MPaIl valore di Il valore di --6Al6Al--4V 4V èèdi 700 MPa di 700 MPa La biella risulta verificataLa biella risulta verificata

σσ a snervamento per il TIa snervamento per il TI

σσ limite di fatica per il TIlimite di fatica per il TI

Disegno dellDisegno dell’’Albero a GomitiAlbero a GomitiLe quote di ingombro e primo dimensionamento Le quote di ingombro e primo dimensionamento delldell’’albero a gomiti sono state individuate facendo albero a gomiti sono state individuate facendo

riferimento ai numerosi esempi reperibili in letteratura. riferimento ai numerosi esempi reperibili in letteratura.

Successivamente si Successivamente si èè proceduta allproceduta all’’ottimizzazione del ottimizzazione del progetto per renderlo adatto alle proprie caratteristiche progetto per renderlo adatto alle proprie caratteristiche

dinamiche. Si precisa che date le caratteristiche dinamiche. Si precisa che date le caratteristiche meccaniche richieste e i regimi di rotazione raggiunti ci meccaniche richieste e i regimi di rotazione raggiunti ci

si si èè mossi su un terreno praticamente inesploratomossi su un terreno praticamente inesplorato

Analisi TorsionaleAnalisi Torsionale

Le caratteristiche geometriche e il grado di Le caratteristiche geometriche e il grado di irregolaritirregolaritàà estremamente contenuto hanno estremamente contenuto hanno determinato ldeterminato l’’accantonamento delle analisi a accantonamento delle analisi a carico statico ed armonica flessionale.carico statico ed armonica flessionale.LL’’attenzione attenzione èè stata rivolta allstata rivolta all’’analisi armonica analisi armonica torsionale realizzata mediante il metodo tabellare torsionale realizzata mediante il metodo tabellare delldell’’Holtzer integrato nel foglio di calcolo Holtzer integrato nel foglio di calcolo delldell’’Ing. PiccagliaIng. Piccaglia

Determinazione dellDeterminazione dell’’ordine di Accensioneordine di Accensione

Risultati dellRisultati dell’’analisi torsionaleanalisi torsionale

ConclusioniConclusioni

Dal punto di vista strutturale Dal punto di vista strutturale èè possibile realizzare un motore diesel possibile realizzare un motore diesel aeronautico a doppio iniettoreaeronautico a doppio iniettore--pompa in grado di sviluppare una pompa in grado di sviluppare una potenza di oltre 1500 CV ad un regime di esercizio di 10.000 rppotenza di oltre 1500 CV ad un regime di esercizio di 10.000 rpm.m.

Le caratteristiche geometriche del manovellismo adottato Le caratteristiche geometriche del manovellismo adottato consentono un notevole margine di sicurezza e quindi un ulteriorconsentono un notevole margine di sicurezza e quindi un ulteriore e possibilitpossibilitàà di aumento prestazionale intervenendo sul ciclo indicato di aumento prestazionale intervenendo sul ciclo indicato quindi sullquindi sull’’aumento della aumento della PPmimi

In questa ottica lIn questa ottica l’’anello debole della catena o per meglio dire quello anello debole della catena o per meglio dire quello che presenta un maggior grado di incertezza a livello progettualche presenta un maggior grado di incertezza a livello progettuale e diviene il pistone.diviene il pistone.

Attualmente il gruppo di lavoro del prof. Piancastelli sta metteAttualmente il gruppo di lavoro del prof. Piancastelli sta mettendo a ndo a punto un metodo di verifica innovativo che tiene conto di punto un metodo di verifica innovativo che tiene conto di importanti fattori tuttora trascurati e lasciati allimportanti fattori tuttora trascurati e lasciati all’’esperienza maturata esperienza maturata dai costruttori.dai costruttori.

GRAZIEGRAZIE