STUDIO DI MASSIMA DI

UN IMBIELLAGGIO PER

UN MOTORE DA

PETROLIERA

Tesi di Laurea di: Relatore:

ROCCO CAPUANO Prof. Ing. LUCAPIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. VINCENZO DAL RE

Prof. Ing. GIANMARCOSAGGIANI

Dott. Ing. CRISTINA RENZI

Università degli Studi di Bologna FACOLTA’ DI INGEGNERIA A.A. 2007-2008

INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA A

“PENTAPENNE”

Costituita da cinque bielle complanari lavoranti sullo stesso perno di

manovella;

In particolare si ha :

- 1 biella blade (o coltello) centrale;

- 4 bielle fork (o forchetta) alternate a 45° >>>

CARATTERISTICHE DEL MOTORE

Struttura a pentapenne

Cinque blocchi da 12 cilindri per un totale di 60

cilindri

Pressione massima di 19 MPa

Alesaggio pistone 142

Cilindrata pari a 102,6 lt

Potenza massima superiore ai 12000 CV

Raggio di manovella 54

Albero forgiato in acciaio da bonifica

Giri massimi : 5600 rpm

Massa complessiva motore contenuta in 1 t

SVILUPPO DELLA TESI

Dimensionamento del perno di manovella;

Dimensionamento della struttura a cannocchiale

delle bronzine di testa di biella;

Dimensionamento delle cinque bielle;

Studio e assemblaggio del pentapenne;

Verifica delle bielle a carico di punta;

Dimensionamento del perno di banco e delle

maschette con relativo studio dei contrappesi per

l’equilibramento delle forze centrifughe;

Realizzazione dell’albero a gomiti;

Verifica a torsione del gruppo;

DIMENSIONAMENTO DEL PERNO DI

MANOVELLA

Si determina : spessore minimo biella blade;

spessore minimo rebbi bielle fork;

distanza minima tra bielle;

LUNGHEZZA UTILE MINIMA

IPOTESI : si vuole mantenere la stessa rigidezza K dell’albero del

DB605 (motore aeronautico);

lavorando su una sezione K ≡ 1/ f ≡ D4/l3

trasversale circolare

In definitiva si ottiene : - LUNGHEZZA UTILE MINIMA ≈ 120

- DIAMETRO MINIMO ≈ 86

STRUTTURA A CANNOCCHIALE

DELLE “BRONZINE” DI TESTA DI

BIELLA

Cuscinetti a sostentazione

fluidodinamica

costituite da tre metalli:

- antimonio (internamente)

- bronzo (parte centrale)

- acciaio (esternamente)

spessore di soli 3 mm

Struttura a cannocchiale:

10 bronzine sovrapposte

struttura molto compatta

diametro compreso tra 85,74 e 100,74 mm

larghezza massima 119,66 mm

Da determinare, dimensioni,

numero e disposizione dei

fori per la lubrificazione

DIMENSIONAMENTO DELLE CINQUE BIELLE

Dati di partenza :

larghezza minima

interasse di 180 mm

carico massimo di circa 300 kN

diametro di testa e piede di biella

Richieste :

Struttura cava

Spessore corpo di 1 mm più nervature

PRIMA BOZZA DI BIELLA FORK

Problematiche: Soluzioni:

Interferenza pistoni, ingombro radiale >>> interasse portato a 250 mm

Struttura inadeguata >>> occorre un’ altra geometria

DIMENSIONAMENTO DELLE CINQUE BIELLE

Si giunge alla seguente struttura quasi definitiva della biella fork più esterna:

Si procede realizzando le altre bielle fork e

la biella blade centrale;

Occorre realizzare gli scavi laterali sulle bielle

per evitare collisioni nel manovellismo;

Realizzare le nervature interne ed esterne

al corpo di biella;

Successivamente si andrà a verificare le bielle

a carico di punta;

STUDIO E ASSEMBLAGGIO DEL

PENTAPENNE

Si assemblano le bielle sulla struttura a cannocchiale

Si apportano modifiche alle bielle per evitare interferenze

Determinato l’angolo minimo tra due

bielle adiacenti di 36°24’

si eseguono gli scavi laterali definitivi;

occorre allungare nuovamente

l’interasse da 250 a 280mm;

GEOMETRIE

DEFINITIVE

DELLE BIELLE

BIELLE DEFINITIVE

Materiale : 34NiCrMo 16

Lavorazione : elettroerosione

Massa complessiva di soli 9,37 kg;

Caratteristiche comuni:

interasse 280 mm

di = 41mm (diametro interno piede di biella)

de = 51mm (diametro esterno piede di biella)

b = 40mm (larghezza piede di biella)

Biella blade: • Di = 115,74mm (diametro interno testa di

biella);

• De = 125,00mm (diametro esterno testa di

biella);

• s = 15,34mm (spessore testa di biella)

• M12x1,25 (viti testa di biella);

• Massa minima blade = 1,59kg;

Biella fork1 (+45°)

Di = 109,74mm (diametro interno testa di

biella);

De = 119mm (diametro esterno testa di biella);

s = 12,17mm (spessore dei rebbi);

M9x0,75 (viti testa di biella);

h = 16,84mm (spazio tra rebbi);

Massa minima fork1 = 1,80kg;

BIELLE DEFINITIVE

Biella fork2 (-45°)

Di = 103,74mm (diametro interno testa di biella);

De = 114mm (diametro esterno testa di biella);

s = 12,17mm (spessore dei rebbi);

M9x0,75 (viti testa di biella);

h = 42,68mm (spazio tra rebbi);

Massa minima fork1 = 1,88kg;

Biella fork3 (+90°)

Di = 97,74mm (diametro interno testa di biella);

De = 108mm (diametro esterno testa di biella);

s = 12,17mm (spessore dei rebbi);

M9x0,75 (viti testa di biella);

h = 68,52mm (spazio tra rebbi);

Massa minima fork1 = 1,84kg;

Biella fork4 (-90°)

Di = 91,74mm (diametro interno testa di biella);

De = 102mm (diametro esterno testa di biella);

s = 12,17mm (spessore dei rebbi);

M9x0,75 (viti testa di biella);

h = 94,36mm (spazio tra rebbi);

Massa minima fork1 = 2,26kg;

VERIFICA DELLE BIELLE A CARICO DI

PUNTA

Le 5 bielle sono state verificate con esiti positivi a carico di

punta con il software ANSYS 11.0 nel seguente modo:

È stata applicata una pressione sulla area d*l del piede di biella,in modo tale

che il prodotto d*l per la pressione dia la forza massima dell’istante del picco di

pressione in camera di combustione (regione rossa);

Sono stati fissati i vincoli cilindrici (regioni blu);

E’ stata adottata una discretizzazione di dimensione di 4mm;

VERIFICA DELLE BIELLE A CARICO DI

PUNTA

Le bielle sono tutte verificate. Viene riportata a scopo illustrativo la

verifica della biella fork4, la più sollecitata:

Per motivi di limitazioni del software adottato per il disegno SOLID

EDGE V18, non è stato possibile realizzare completamente le nervature.

Evidente miglioramento già introducendo solo una parte delle nervature

FATTORE DI

SICUREZZA

SOLLECITAZIONE

EQUIVALENTE

PERNO DI BANCO, MASCHETTE ED

EQUILIBRAMENTO DELLE FORZE CENTRIFUGHE

Perno di banco : - diametro 100 mm

- lunghezza utile 40 mm

Maschette (o manovelle) : - raggio di manovella 54 mm

- spessore 22 mm

MASCHETTA BASE baricentro sull’asse dell’albero

(EQUILIBRIO STATICO)

CONTRAPPESI somma dei momenti delle forze centrifughe nulla

rispetto

all’asse di rotazione dell’albero (EQUILIBRIO

DINAMICO)

Fr = mr ω2 r

Si ottiene : Fr = 283 kN MASSA NOTEVOLE

mc = 4,24 kg CONTRAPPESI IN

TUNGSTENO

si adottano 2 contrappesi uguali da 2,12 kg

assemblati con interferenza

mr = somma delle masse rotanti (perno di manovella, bronzine e

biella)

mc = massa del contrappeso

c

rcr

rm

2

1m

ALBERO A GOMITI

Sono state dimensionate tutte le sue parti (perno di manovella,

perno di banco e maschette);

Si realizza l’albero, costituito da 12 gruppi ruotati di 30° l’uno

dall’altro;

Materiale : stesso delle bielle 34NiCrMo 16

Lavorazione : forgiatura Massa : 287,5 kg Lunghezza : 2,6 m

VERIFICA A ELEMENTI FINITI DEL

GRUPPO

È stato utilizzato sempre il software ANSYS 11.0;

È stata applicata :

> una pressione massima pari a 228,8 N/mm2 sull’ area del perno di manovella pari a

l*d;

> un momento torcente massimo di 23500 N·m su un’estremità libera del perno di

banco;

> un vincolo fisso all’altra estremità libera del gruppo;

> un vincolo cilindrico sull’altro perno di banco;

VERIFICA DEL GRUPPO

Discretizzazione : dimensionamento elementi di 5mm

si ottiene una reticolatura abbastanza fitta

Risultati ottenuti :

FATTORE DI

SICUREZZA

SOLLECITAZIONE

EQUIVALENTE

È evidente dalle immagini la fattibilità dell’albero; addirittura si

potrebbero usare perni cavi se non ci fossero limiti nella fabbricazione.

STRUTTURA COMPLESSIVA

Massa pentapenne : 27,128 kg

Massa totale imbiellaggio : 613,011 kg

SVILUPPI FUTURI

Lo studio di quest’imbiellaggio è solamente all’inizio :

rivisitare pistoni e spinotti; quelli impiegati in questa trattazione sono solo provvisori e relativi al motore del VD007;

Per quanto riguarda l’albero :

realizzazione fori per la lubrificazione perno-bronzina ;

Verifica a fatica;

Verifica flessionale ;

Analisi delle vibrazioni torsionali ;

Non è escluso uno studio di una soluzione in ghisa GS800.

Il vantaggio è che impiegando un’anima opportunamente sagomata e

studiata si riuscirebbe a scavare l’intero albero e quindi a diminuire la

sua massa.