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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
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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° >>>
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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
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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;
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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
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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
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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
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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;
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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
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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;
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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;
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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;
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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
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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
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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
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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;
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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.
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STRUTTURA COMPLESSIVA
Massa pentapenne : 27,128 kg
Massa totale imbiellaggio : 613,011 kg
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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.