CAPITOLO 5 – Disegno di massima e determinazione forze agenti sull’albero
CAPITOLO 5
Disegno di massima e determinazione forze agenti sull’albero
5.1 GENERALITA’
Dopo aver equilibrato le forze d’inerzia e quindi dimensionato i contrappesi si può passare al disegno di massima dell’albero. In sede iniziale di progetto, le dimensioni dell’albero possono essere fissati in funzione dell’alesaggio D e della corsa C. Nella tabella sotto è riportato tale dimensionamento per motori Diesel veloci:
Dimensione in [mm] Motori Diesel veloci
Motore HCPC
Diametri dei perni di banco (D1) 0,75-0,82 D 70 mm Diametri dei perni di manovella (D2) 0,65-0,75 D 64 mm Lunghezza dei perni di manovella (L2) 0,42-0,45 D 29 mm Lunghezza dei perni di banco (L1) 0,40-0,45 D 35 mm Spessore delle manovelle (S) 0,30-0,35 D 20 mm Lunghezza totale delle manovelle (Sv) 1,10-1,15 C 49,5-59 mm Larghezza delle manovelle (So) 0,95-1,05 D 90 mm
Tab.5.1: Parametri per un primo dimensionamento
Per quanto riguarda la lunghezza totale delle manovelle (Sv) nella tabella 5.1 è da notare che la prima grandezza si riferisce alla manovella del compressore mentre la seconda a quella del combustore, ricordando che le due corse sono diverse.
5.2 DISEGNO DI MASSIMA
Di seguito è riportato il disegno di massima (FIG. 5.3) dell’albero motore eseguito con il software Pro-E utilizzando le grandezze della tab.5.1.
Fig.5.3: Vista albero motore
Fig.5.4: Principali componenti dell’albero
1 Foro ingresso lubrificante
2 Foro per la lubrificazione del perno di banco lato manovellismo combustore 3 Perno di banco lato manovellismo combustore
4 Foro per la lubrificazione del perno di manovella del manovellismo combustore 5 Foro per la lubrificazione del perno di manovella del manovellismo
compressore
6 Contrappeso per l’equilibratura (maschetta)
7 Foro per la lubrificazione del perno di banco lato manovellismo compressore 8 Perno di banco lato manovellismo compressore
9 Flangia per l’attacco della puleggia 10 Foro uscita lubrificante
Tab.5.5: Nomi dei principali componenti dell’albero
L’albero motore è generalmente ottenuto per stampaggio. Lo stampaggio è seguito da fresatura dei contrappesi e foratura per la realizzazione dei condotti per il passaggio dell’olio. Esso è sostenuto dai supporti di banco ricavati nel basamento ed è fissato attraverso dei cappelli di banco.
5.3 FORZE AGENTI SUL MANOVELLISMO
La conoscenza della pressione indicata all’interno dei cilindri e delle masse alterne consente di determinare l’andamento dei carichi. Si possono così ricavare le reazioni sui supporti di banco supponendo i cuscinetti indeformabili. Per iniziare saranno valutate le forze agenti sul manovellismo. Di seguito sono riportati gli andamenti della pressione indicata nei cilindri compressore e combustore per un regime di rotazione di 4000 rpm, e la scomposizione delle forze che agiscono sui manovellismi.
Pressione indicata HCPC 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 -50 0 50 100 150 200 250 300 350
Angolo di manovella combustore [deg]
Pressione [Pa]
pressone combustore [Pa] pressione compressore [Pa]
Fig.5.6: Pressione indicata nei cilindri ottenuta per n = 4000 rpm
Fig. 5.7: Scomposizione delle forze agenti sul manovellismo
Trascurando gli attriti che si generano, per esempio, nel contatto tra pistone e cilindro, si possono trovare le forze agenti sul manovellismo. Sulla testa di biella agisce una forza alterna diretta lungo l’asse del cilindro data dalla seguente espressione:
mp mP
r
i i
S
F 2 cos cos2
Dove P è la pressione nel cilindro ed S è l’ area del pistone (gli altri termini dell’espressione sono stati analizzati nel capitolo 4). Com’è evidente nella FIG. 5.7 la forza F della formula sopra viene scomposta in due componenti:
cos 2 1 F F tg F F
La prima ortogonale all’asse del cilindro e la seconda agente in direzione della biella. Quest’ultima viene a sua volta scomposta sul perno di manovella in due componenti: una radiale (diretta lungo l’asse istantaneo definito dalla manovella ) e l’altra tangenziale (ortogonale alla precedente):
cos ' cos cos ' sen F T F RInfine si ha una forza centrifuga:
2'' m c m r
R m M
Nel capitolo 4 si è visto che la schematizzazione della biella in una massa alterna ed una rotante era possibile introducendo un momento di inerzia puro che comportava una coppia pura. È da rilevare che in questa trattazione le forze che nascono in conseguenza a questo momento essendo di piccola entità saranno trascurate e inoltre essendo il nostro motore un prototipo le forze che potrebbero nascere dal fatto di avere una trasmissione a valle dell’albero non verranno considerate. In conclusione si può ragionevolmente affermare che le forze descritte producono su ogni gomito una forza radiale R, una tangenziale T e un momento torcente M:
r T M T T R R R ' ' ' '
Nelle FIG. 5.9, 5.11, 5.13 sono riportati gli andamenti delle forze tangenziali, Di quelle radiali e del momento torcente:
Fig.5.8: Schematizzazione forza Tangenziale (T) agente sull’albero Forza tangenziale (T) -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 -100 0 100 200 300 400
angolo di manovella combustore[deg]
Forza[N] forza_tangenziele_combustore
forza_tangenziale_compressore
Fig.5.9: Andamento forza tangenziale (T) per n = 4000 rpm
La forza tangenziale agente sull’albero raggiunge un valore massimo di circa 25000 N ed è scaricata dal manovellismo compressore quando la manovella del combustore sta percorrendo il venticinquesimo grado di manovella.
Fig.5.10: Schematizzazione forza Radiale (R) agente sull’albero Forza radiale (R) -20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 -50 0 50 100 150 200 250 300 350
angolo di manovella combustore[deg]
Forza[N]
F_radiale_combustore F_radiale_compressore
Fig.5.11: Andamento forza radiale (R) per n = 4000 rpm
La forza radiale invece raggiunge un valore massimo di circa 43000 N e anch’essa si ha per un raggio di manovella combustore di circa 250.
Fig.5.12: Schematizzazione Momento (M) agente sull’albero Momento torcente (T) -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 -100 0 100 200 300 400
angolo di manovella combustore[deg]
M[Nm] momento_manovella_combusto re momento_manovella_compress ore momento_medio_compressore momento_medio_combustore
Fig.5.13: andamento momento torcente (T) per n = 4000 rpm
In FIG. 5.3 è riportata la coppia media prodotta sia dal manovellismo compressore sia combustore. In particolare si ha che il momento torcente medio prodotto dal manovellismo compressore, quando l’albero si trova a ruotare alla velocità di 4000 rpm, è pari a 86 Nm, mentre il cilindro combustore si ha un momento torcente medio pari a 181 Nm. Il valore massimo è prodotto dal manovellismo compressore e vale circa 1100 Nm.
