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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. L A 139 5 1 Il sistema di lubrificazione nei motori a combustione interna 140 J Iipolosiedbciibnfacazione ille 143 Jo Glroliubrfneante 1a VISCOS IVA sione 144 9 4 ikeona dell Ubriticazione rina 149 Dil Laor cazione stabile ola 154 5 4 2 Considerazioni sul funzionamento dei cuscinetti a strisciamento 156 5 5 Progetto di un cuscinetto a strisciaMmeEnto 0 161 sie Srl Cnteriprosettoali di TrUMpler serci er G 5 5 2 Metodo di Raimondi Boyd Dda Metodo della norma DIN BIOS 2 asia Capitolo 6 Analisi strutturale ach Plementt Emi 4 6 Calcolo FEM dell albero controrotante cc ececececececececececececececececs 4 7 Calcolo FEM del supporto per l albero controrotante Conclusioni Ringraziamenti BibUosrana SILOS ANA illa Mc _14 _15 _ 16 Introduzione Questo elaborato descrive tutte le fasi che hanno condotto la progettazione di un applicazione meccanica costituita principalmente da un albero controrotante che sia in grado di ridurre le vibrazione di un motore a tre cilindri prodotto dall azienda VM Motori S p A azienda leader nella produzione di motori Diesel per il mondo industriale e per il mondo automotive Le motivazioni che hanno condotto allo studio dell argomento sono da inquadrare nel conte
2. _ LS La Rie a ma _ gt be ro n E os i dos dt p a j i LAI mA g Tt i dra rv e LI A e ti ae ip tama fef 5 ion de e NJ beret NEN AE L Ai dn ee i n arts e Ra RIDERS ERO VA mune peony citati zs asii la p di veli RI f x no a 25 bal DT i am o i i 1 k nti bi ce ae I d EE E LS fr lis dii peteeres Mi was eda i lio ii a t Teese 0 po Hi 004 006 0 1 0 2 04 06 10 2 4 6 810 e r pu Numero caratteristico del cus inetto i i P Figura 5 27 Diagramma del rapporto tra portata di fuga laterale e portata totale 8 A questo punto non resta che determinare le portate di lubrificante le fughe laterali e aumento di temperatura del film Seguendo la teoria di Raimondi e Boyd le portate e le fughe laterali di lubrificante sono da determinare sempre attraverso 1 diagrammi contenuti nei loro studi del 1958 qui visibili nelle Figure 5 26 e 5 27 Tuttavia questi ultimi diagrammi si riferiscono a cuscinetti indipendenti a circolazione naturale la cui capacit di carico piuttosto limitata Nel caso dell albero controrotante 1l carico sui cuscinetti non elevato ma poich il lubrificante viene fornito in pressione ai cuscinetti questi cuscinetti vengono chiamati cuscinetti ad alimentazione forzata Una pompa esterna che prende il moto direttamente dall albero motore porta il lubrificante alla pressio
3. 37 2 2 2 Masse dotate di moto alternato e masse rotanti 39 2 2 3 Forze alterne d inerzia e forze centrifughe 4 Z2A ACOMSIGELAZIONIZSU TAPP ONO Asinara 42 2 3 Hquilibramento dell albero a SOM aseen a E a 44 2 3 1 Equilibratura delle forze centrifughe 44 2 3 2 Equilibratura delle forze alterne del 1 ordine 48 2 3 3 Equilibratura delle forze alterne del 2 ordine 50 234 Ode di accensione ssaa 51 2 4 Equilibratura in un caso particolare motore a 3 clindri in linea 52 2 5 Fattori squilibranti del motore R753IE4 56 ZI Presentazione del Motore sedia 56 2 5 2 Albero a gomiti del motore R753IE4 i 58 23 3 Analisi CEL TAOS UTI EAN co cos de cie terete donc tenniotincendonduSavepncdendonce sade 59 11 2 5 3 1 Masse alterne e masse rotanti del motore R753IE4 60 2 5 3 2 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze centrifughe 63 2 5 3 3 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze alterne del 1 ordine 64 2 5 3 4 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze alterne del 2 ordine 65 2 6 Procedura di equilibratura dell albero a gomiti in VM Motori 65 Caplloloia spalti e a 73 Analisi preliminare
4. Figure 4 5 Albero controrotante nella terza alternativa per supporto in pezzo unico L albero di Figura 4 5 presenta delle caratteristiche che non si vedono negli alberi delle Figure 4 3 e 4 4 La prima di queste caratteristiche 1l foro presente sul perno posteriore tale foro realizzato in modo tale che il perno non sia assialsimmetrico ma abbia un raggio baricentrico per contribuire alla coppia da generare con la rotazione La seconda caratteristica rappresentata dai fori praticati sulle masse controrotanti Ciascuna massa controrotante prevede due fori di diametro 14 mm e profondit massima 20 mm utili al fine di raggiungere la coppia esatta da equilibrare con le forze centrifughe delle masse eccentriche Il contralbero difatti pensato in acciaio prodotto con un processo di stampaggio a caldo Questa tecnologia caratterizzata da un incertezza di produzione ad esempio presi due alberi controrotanti grezzi essi non saranno mai uguali per peso e dimensioni Dopo aver eseguito le lavorazioni meccaniche richieste come la rettifica dei perni la dentatura elicoidale e gli spallamenti va controllato lo squilibrio dei due contralberi essi avranno due squilibri diversi tra loro ma anche diversi dal valore ideale Cos praticando dei fori di equilibratura con una macchina equilibratrice si riportano gli squilibri dei due contralberi ad una certa quantit che rientra all interno di una tolleranza prevista in sede di proget
5. Figure 4 11 Modello del supporto grezzo 116 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y estrarre il grezzo dalla forma con facilita I valori di questi angoli e raggi dipendono dal materiale di fusione in questo caso alluminio e dal processo di fusione in s Un particolare molto importante ricavato di grezzo sul supporto il manicotto per lo scarico dell olio lubrificante al quale si accoppieranno un tubo di gomma e altri componenti descritti in dettaglio nel prossimo paragrafo Il manicotto deve essere evidentemente cavo in modo da permettere lo scorrimento e la raccolta dell olio che fluisce poi nuovamente in coppa Il manicotto potrebbe essere pensato pieno e forato successivamente oppure la sua cavit pu essere direttamente realizzata con l anima in sabbia del supporto come si pu osservare in Figura 4 12 La soluzione che si sceglie di adottare la seconda affidando quindi all anima il compito di creare la cavit nel manicotto in modo tale da evitare un ulteriore lavorazione meccanica che avrebbe un certo costo 4 4 Modellazione del circuito di scarico olio Un sotto gruppo dalla funzionalit essenziale che va a completare l applicazione dell albero controrotante dato dal sistema di scarico dell olio Questo circuito raccoglie lolio che fuoriesce dai cuscinetti dopo che siano state lubrificate le sedi e che sia stata abbassata la temperatura dei cor
6. Tabella 6 1 Profilo Forma Dimensioni Filettatura metrica ISO z H r H 0 86603 P 1 p 5 z 5 filettatura metrica fine ISO E i H 0 54127 P zH ee a t Mr 17 hg 0 81343 P H L 24 N A Dado 4 H 7 R 0 14434 P Y D d nom e r N N 7 D d d 0 64953 P S y da d 1 22687 P NZ i i ia ha w I a a Ru cl F Sin Figura 6 17 La tabella 6 1 e la Figura 6 17 aiutano a capire come venga calcolato il tiro su una vite data la coppia di serraggio In Figura alla voce Forma sono quotate a disegno le grandezze pi importanti di un collegamento filettato mentre alla voce Dimensioni sono definite le grandezze in funzione del passo Nel caso di una vite M10 con passo 1 5 serrata a 45 Nm il tiro vale circa 27086 N Questa forza dev essere applicata alle lamature delle quattro viti diretta verso il supporto e il basamento In questo caso per basamento si intende un nuovo Component contenente una mesh solida tetraedrica costruita a partire dalle facce lavorate del supporto del contralbero con il comando di estrusione 3D elem offset elements by geom La Figura 6 18 mostra in giallo la mesh 3D del supporto e in grigio gli elementi che simulano la presenza del basamento Si chiede ad HyperMesh di creare quindi due fascie di elementi tetraedrici Ciascuna fascia ha spessore di 12 mm ed suddivisa in tre strati layers di elementi I nodi pi esterni di queste due m
7. Y s fattore angolo elica Ybeta Il calcolo andato a convergenza Ruota 2 Sforzo di flessione dal mm2 1 146 fattore di resistenza Yf 1 672 icon Qs 2 197 fattore di intaglio Y s 1 921 fattore angolo elica Ybeta 0 837 Tabella 4 5 Resistenza tra l ingranaggio di rinvio e la ruota oziosa 130 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Calcolo di resistenza secondo ISO Dati di progetto Potenza trasmessa KW 1 4 Giri min ruota 1 2600 Modulo elastico daN mm 210000 Larghezza fascia mm 15 0 Pressione superficiale daN mm2 56 968 Ruota 1 Sforzo di flessione daN mm2 1 076 fattore di resistenza Yf 1 720 con Qs 2 196 fattore di intaglio Y s 1 903 fattore angolo elica Ybeta 0 637 Ruota 2 Sforzo di flessione daM mm2 1 139 fattore di resistenza YT 1 655 con Qs 2 170 fattore di intaglio Y s 1 665 fattore angolo elica Ybeta 0 837 Il calcolo andato a convergenza VERO Tabella 4 6 Resistenza tra la ruota oziosa e la ruota del contralbero Il limite di questa schermata la mancanza di un confronto con 1 dati di resistenza del materiale delle ruote per fornire un valore del coefficiente di sicurezza Infatti vengono solo forniti dei valori indicativi delle pressioni superficiali legate alla resistenza dei fianchi dei denti e degli sforzi di flessione legati alla resistenza del fondo del dent
8. ed avermi fatto crescere sia professionalmente che umanamente durante la mia permanenza in VM con preziosi consigli e suggerimenti Ale e Antonio con cui ho condiviso le dovute pause caff e per aver sopportato le mie numerose e pesanti domande sull utilizzo di CATIA V5 Alessandro Piccaglia e Luca Fisichella per il prezioso aiuto che mi hanno offerto nella parte relativa ai calcoli FEM Ringrazio i miei compagni di corso Davide Gian Balla Albe Mirco e Bose per le lezioni gli esami le gioie e i dolori condivisi in questi anni al DIM e per le splendide anche se poche serate in compagnia un ringraziamento speciale va a Marcone il fratello con il quale ho condiviso tutti i momenti di questo lungo percorso iniziato pi di cinque anni fa Mi scuso con i miei amici di sempre rovigotti per non essere stato molto presente negli ultimi tempi e li ringrazio per avermi fatto sempre sentire il loro affetto le volte che sono riuscito a raggiungerli fuori dopo lo studio o il lavoro Ringrazio la mia famiglia per avermi dato l opportunit di studiare senza avermi mai fatto mancare nulla e mi scuso per le volte in cui sono stato assente o maleducato soprattutto ora che sono giunto alla fine capisco quanto sia importante quello che mi avete permesso di fare e il ricordo dei sacrifici di questi anni diventa pi piacevole vi voglio bene 211 Per ultima ma non per importanza ringrazio Maria Claudia per quanto mi sia
9. C mentre il 47 finale risulta essere 6 22 C inferiore a 15 C cio al limite consentito La verifica sulla temperatura superata Un altra verifica importante riguarda l altezza minima di meato Anche in questo caso il Criterio di Trumpler rispettato poich ho 0 0112 0 00508 0 00004d 0 00832 hom dove d in questo caso il diametro del perno pari a 81 mm In tabella sono stati evidenziati di verde 1 parametri letti sui diagrammi di Raimondi e Boyd Iterazione 1 16 128 797 2390 6 3748 0 281 Iterazione 2 5 44 122 72 800 2366 7 0340 0 310 Iterazione 3 6 25 123 13 800 2368 6 9800 0 307 hO c ho mm e file f Qs m 3 s Pre Watt AT fin 0 232 0 0104 0 77 8543 0 0095 1 73E 05 179 06 5 44 0 247 0 0111 0 75 8 674 0 0096 1 54E 05 181 81 6 25 0 249 0 0112 0 75 8 682 0 0097 1 54E 05 181 98 6 22 5 5 3 Metodo della norma DIN 31652 Quello che si va a descrivere in questo paragrafo un secondo e pi recente 1983 metodo di progettazione e verifica di cuscinetti radenti o a strisciamento hydrodynamic plain journal bearings Anche in questo caso s1 parla sempre di un procedimento iterativo che termina quando l incremento di temperatura stimato eguaglia quello effettivo I parametri da considerare sono per ovvie ragioni quelli corrispondenti all ultima iterazione Obiettivo del progetto quello di definire le dimensioni e il tipo di lubrificante che assicurano nelle condizioni operative che si sviluppi una portanz
10. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica DEFINIZIONE DELL EQUILIBRATURA DI UN MOTORE DIESEL TRE CILINDRI INDUSTRIALE CON RELATIVA PROGETTAZIONE E VERIFICA DI UN ALBERO CONTROROTANTE IN VM MOTORIS p A Relatore Dott Ing Mauro Ricotta Correlatore Ing Stefano Saracino Laureando Marcello Finotti ANNO ACCADEMICO 2012 2013 Dedico questo lavoro a mia nonna Tosca in ricordo dei giorni felici trascorsi insieme perch so quanto sarebbe stata orgogliosa nel vedermi raggiungere questo traguardo INDICE INiroduzione i iulm ii 17 Capriolo Liscia 19 VEU NNO OTS Peschiera 19 Lal Storia dela VINENI0f0f1 sr nia 19 PZ HORS AMIZ ZA ZIG en a ird 21 lo EP Odon eaea iaia iii iii 22 Lor Ilseloreadio no ie lla 22 Fo ASEMOLe MCU SE 1A le gecsotesys cay e e eae teats en O a 24 LZE WIG LORE COIN TROD ats a a bea 25 k5i2 2 Mon OFFROAD iolanda 26 Wie WIOLOLUS AZ ONAN eiee neea a 27 ES AMMSCILOLOAAL INO rr 27 1 4 Progettazione ricerca e SVIlUppo 28 Lo Peculiarit der MO ror IMCUSTA lalla 29 CDO alii cai 31 EEibadie ale 31 2A Cmemnicsdelmanove bmo mercies E E O 31 22 Dinamica del manovellis MO seriinin E E T 36 2 2 1 Azioni interne al blocco motore Coppia di reazione
11. in quanto questa imposta dal progetto della macchina nel suo complesso A volte la viscosit assegnata in anticipo come per esempio quando l olio raccolto nella coppa ed utilizzato per lubrificare e raffreddare pi cuscinetti questo esattamente il caso trattato in questo elaborato L olio motore che si utilizzer per lubrificare 1 cuscinetti del contralbero gi stato fissato sulla base di considerazioni legate al tipo di motore alle condizioni di lavoro e alle esigenze del cliente Le altre variabili e talvolta anche la viscosit possono essere assegnate dal progettista e diventano di conseguenza le decisioni che egli prende In altre parole una volta scelti 1 valori di queste quattro variabili il progetto completo Nel secondo gruppo ci sono le variabili dipendenti Queste variabili non si possono controllare se non indirettamente modificando una o pi variabili del primo gruppo Queste SONO II coefficiente d attrito f L aumento di temperatura AT La portata volumetrica di olio Q Lo spessore minimo di meato ho Questo insieme di variabili indice del buon funzionamento del cuscinetto e di conseguenza possono essere considerati coefficienti di prestazione Le caratteristiche dei materiali e quelle del lubrificante impongono dei limiti ai valori che possono assumere le variabili dipendenti al fine di garantire una prestazione soddisfacente Quindi 11 problema essenziale sta nel scegliere
12. interno del supporto stesso da dietro e per questo motivo il diametro massimo bisogna averlo in corrispondenza del perno posteriore dell albero Questa dimensione governata dalla lavorazione sul basamento per realizzare il piano di accoppiamento del supporto dalla parte posteriore che non pu essere troppo profonda e dagli spessori minimi da mantenere sul supporto posteriore in questo caso non devono essere Inferiori ai 5 mm Nella Figura 4 4 rappresentata la seconda alternativa di contralbero con le quote relative ai perni e alla lunghezza dell albero in senso longitudinale SL 29 5 411 Figure 4 4 Albero controrotante nella seconda alternativa per supporto in pezzo unico 106 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y 3 Alternativa Il terzo albero controrotante modellato Figura 4 5 si riferisce sempre alla soluzione y con supporto in pezzo unico di alluminio ma a differenza dell albero di seconda alternativa mostra nella zona delle masse controrotanti una forma pi dolce che garantisce in ogni caso la coppia centrifuga necessaria per equilibrare la coppia risultante dovuta alle masse alterne non equilibrate del motore I diametri dei perni sono uguali all albero dell alternativa 2 mentre cambiano di qualche mm le loro lunghezze come si pu vedere dalle Tabelle 3 4 e 3 5 del paragrafo 3 2 3 1 Fori di equilibratura ea if N
13. significa quindi proporre un numero molto elevato di possibilit di personalizzazione al fine di riuscire a soddisfare il maggior numero di richieste VM offre pi famiglie di motori industriali ognuna comprendente un certo numero di modelli e per ogni modello sono disponibili un certo numero di opzioni qualora queste non soddisfino le richieste del cliente viene valutata da VM la possibilit di inserire nell ordine componenti specifici In questo caso si crea una versione di un modello disponibile specifica per il cliente stesso su tali motori possono essere montati anche particolari unici ovvero destinati ad equipaggiare un solo tipo di propulsore che in alcuni casi l acquirente a fornire Una versione nasce solo quando il cliente assicura l acquisto di un quantitativo minimo di motori all anno indicativamente tale soglia varia da circa 50 motori all anno se si tratta di particolari _29 Capitolo 1 VM Motori S p A commerciali o gia utilizzati ad esempio su richiesta di un altro cliente fino a qualche centinaio all anno se invece richiesto un componente da progettare e costruire ex novo 20 Capitolo 2 L Equilibratura Capitolo 2 L Equilibratura In un motore Diesel durante il funzionamento e quindi durante il moto dei pistoni all interno dei cilindri si generano delle forze d inerzia alterne e delle forze centrifughe che danno luogo ad un sistema di forze e momenti Le une e gl
14. 0 104245 ar 0 343503 4 0 4677244 0 215028 3 2 3 4 l l l l F 0 0105921 0 342048 7 0 459955 4 0 381193 0 1056112 3 2 3 4 l l l l G 0 000397154 0 01669 J 0 00966612 4 0 0191126 0 01094135 2 3 4 l l l l H 0 00258444 0 00870384 0 00157289 0 01759905 4 0 00668883 Noto il coefficiente Y si determina il coefficiente d attrito f e con questo la potenza dissipata per attrito sul cuscinetto nota anche come lavoro d attrito compiuto dal perno sul fluido nell unit di tempo d PP fF gt fFu La potenza dissipata per attrito P genera calore all interno del cuscinetto e questo calore dev essere asportato in parte per convezione e in parte dal flusso d olio lubrificante Poich l albero controrotante un applicazione che fa parte di un motore dotato di regolari condizioni di lubrificazione tutto il calore che si genera nei cuscinetti sar asportato dall olio lubrificante Per questo in accordo con la DIN 31652 la portata d olio richiesta per garantire un certo flusso d olio nei cuscinetti pari a Qi Q1 Qo dove Q d pudy Il coefficiente q dipende dal rapporto l d del cuscinetto e dall eccentricit relativa e definita coma il rapporto tra l eccentricit assoluta e ed il gioco radiale c E e ct ho C Allora a questo punto si pu calcolare q come 30 222 amaha PNN L alt
15. 123 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y vincolo piu rigido da rispettare Cosi per ogni possibile circonferenza primitiva della ruota oziosa bitangente si stimato il diametro esterno dei denti e si valutata la distanza minima tra la circonferenza di testa dei denti e il coperchio in antiphon trovando un buon compromesso con un interasse nominale tra contralbero e ruota oziosa di 68 698 mm Il valore del diametro esterno della ruota oziosa cos come quello di altre grandezze utili da monitorare e controllare per la progettazione del profilo dei denti delle ruote dentate deriva dall implementazione di un foglio di calcolo EXCEL sviluppato nel corso degli anni dalla VM Motori 4 5 1 Foglio di calcolo per ingranaggi cilindrici ad assi paralleli VM Motori Il foglio di calcolo EXCEL permette di calcolare la geometria la resistenza e le principali misure di verifica della dentatura di una coppia di ruote dentate cilindriche ad assi paralleli e denti elicoidali e di visualizzare graficamente il profilo dei denti I dati di input sono 1 principali dati geometrici e della sollecitazione delle due ruote mentre gli output sono tutte le dimensioni principali delle due ruote la verifica di resistenza le principali misure di verifica da controllare e il disegno del profilo ad evolvente delle due ruote E stato realizzato implementando le principali formule geometriche e di calcolo della resi
16. 7 ALPHAI M ALPHA IT ALPHAFLI I ALPHAFL2 v 7 AMLS d User Comments E v Hide In Menu Export Figura 6 7 Definizione del parametro WTMASS Quando sono state date al programma tutte le informazioni necessarie si lancia l analisi attraverso il solver RADIOSS Si apre cos una finestra di dialogo che mostra eventuali errori legati ai vincoli ai carichi o ai parametri Se tutto stato assegnato correttamente l analisi va a buon fine e nella finestra di dialogo si pu leggere il tempo e la memoria megabyte impiegati dal calcolatore per arrivare alla soluzione Durante l analisi il programma crea nella cartella dove giace il modello di HyperMesh una serie di file tra cui quello con estensione 0p2 apribile mediante il software di post processing HyperView Con HyperView possibile non solo scegliere di plottare le tensioni e gli spostamenti ma anche visualizzare attraverso un animazione come si deforma il componente sottoposto al carico assegnato in HyperMesh Sempre in HyperMesh bisogna ricordarsi di selezionare le grandezze che s1 desidera avere come output Per l albero controrotante cos 193 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti come per il supporto si scelto di avere in output STRESS e DISPLACEMENT in formato PLOT In Figura 6 8 rappresentata la distribuzione delle tensioni di von Mises sull albero controrotante Come si era previsto le zone pi sollecitate sono
17. Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Le quattro orientazioni delle forze a cui ci si riferisce sono visibili in Figura 6 11 Le quattro immagini mostrano solo la forza agente sul cuscinetto anteriore La forza agente sul cuscinetto posteriore per ciascuna delle quattro condizioni di carico giace sulla stessa retta d azione della forza rappresentata in figura ma ha verso opposto Figura 6 11 Quattro differenti condizioni di carico analizzate Prima di applicare le forze ai cuscinetti del supporto opportuno realizzare la mesh Questa fase la pi delicata in quanto il supporto pi complesso in termini di superfici raccordi smussi dell albero controrotante Anche in questo caso stata eseguita prima la mesh 2D di tutte le superfici e poi la mesh 3D con elementi tetraedrici Per rendere ancora pi precisa la meshatura le superfici sono state suddivise in due gruppi la pelle interna e la pelle esterna Questi due gruppi di superfici tuttavia devono essere connessi tra loro altrimenti non si riesce a generare la mesh solida 3D e il programma mostra un messaggio di errore La pelle esterna pi complessa di quella interna Si comincia facendo la a we SA T ATEN ai Pal MAIO RATA g Sir i Re ee eee ee Hee SIRT AL mesh delle lamature per le 4 viti ARESE M10 e
18. Costruzione di macchine Pitagora Bologna 1998 12 Vignocchi D Progettare con CATIA V5 2 ed Athena Audiovisuals Modena 2005 13 DIN 31652 14 Manuale d installazione motori R750 Vm Motori 15 https en wikipedia org wik1 16 http www altairhyperworks it 17 http www vmmotor1 it 213 29 iA 215 216
19. albero controrotante un olio multigrado con designazione SAE 10W 40 che si comporta come un olio SAE 10W alle basse temperature e come come un olio SAE 40 alle alte L olio del motore R753IE4 il Q8 T 905 Si tratta di un olio sintetico resistente ad alte prestazioni con basso contenuto di zolfo fosforo e ceneri solfatate progettato per la lubrificazione di motori Diesel EURO 4 come il motore VM R753IE4 Tale olio garantisce una rapida lubrificazione in partenze da freddo e previene incrostazioni nel motore dovute alla fuliggine da combustione Nella tabella che segue sono riassunte le principali propriet dell olio Q8 T 905 pf Units _ Inspection Data Viscosity Grade SAE 10w 40 860 ViscosityIndex bho 149 24 Flash Point 212 Pour Point 27 148 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 5 4 Teoria della lubrificazione L attuale teoria della lubrificazione idrodinamica ha avuto origine agli inizi del 1880 nel laboratorio di Beauchamp Tower in Inghilterra Tower si era occupato dello studio dell attrito nei cuscinetti portanti per applicazioni ferroviarie e aveva appreso 1 migliori metodi per la lubrificazione Fu un caso o un errore durante lo svolgimento di queste ricerche che spinse Tower a guardare in maggior dettaglio il problema e che ebbe come risultato una scoperta che alla fine porto allo sviluppo della teoria Foro di adduzione dell olio Bronzina parziale Livel
20. anello del manicotto scelto proprio 18 mm e consente l accoppiamento con il bocchettone Anche il diametro interno delle due guarnizioni di rame pari a 18 mm mentre quello esterno 22 con uno spessore di 1 5 mm Una guarnizione fa tenuta tra il basamento e Panello del manicotto 118 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y mentre l altra tra l anello del manicotto e la testa del bocchettone Infine il tubo di gomma montato da un lato sul manicotto e dall altro sul manicotto ricavato direttamente sul supporto N n hole p DOcCIsONOE pers 2 LE a an a ENECO E 2133202MF mons 5 oe CENERE SENTE A menar __ acs EE CES anas si SL REF 1 Fi il 4 TEO TEA Shape A 41332005F a e ar _ a asso ae 13300194A ee et 332010F ere 330017 24330002A 330002A Hi 21332048 eat 119 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Per quanto riguarda il fissaggio del tubo in gomma ai due manicotti si ricorre all uso di due fascette a molla la cui procedura seguita per la scelta della fascetta opportuna segue la DIN 3021 Per la scelta delle quote si faccia riferimento alla Figura 4 15 ut inf Na i i i iy YY i 12 e oS Figure 4 15 Quote indicative per la scelta della fascetta a molla secondo la DIN 3021 Per determinare
21. autovetture e macchine utilizzatrici in area dedicata e segregata attrezzata per rapid protoyping e dotata di magazzino componenti prototipali e Smontaggio ed analisi motori 982 Capitolo 1 VM Motori S p A e Sviluppo calibrazioni specifiche per ottimizzare le applicazioni e Sviluppo emissioni e trattamento dei gas di scarico e Prove guidabilit in altura e condizioni climatiche estreme e Gestione delle flotte di validazione in durata e Facilities gt Un banco a rulli per misura e omologazione emissioni veicolari 17 banchi prova motore per sviluppo performance ed emissioni 22 Banchi motore per prove di durata Una linea di assemblaggio dedicata ai prototipi motore Una cella semi anecoica Una cella per avviamenti a freddo Laboratorio smontaggio ed analisi motori VV VV VV WV Sala metrologica e banchi prova componenti specifici 1 5 Peculiarit dei motori industriali La gamma delle possibilit di Impiego di un motore industriale molto ampia cos come le opzioni di installazione all interno di veicoli e di applicazioni di tipo statico Da ci deriva che ogni cliente presenti specifiche esigenze legate alla configurazione del motore alla potenza alle dimensioni al tipo di raffreddamento ed alla disposizione degli accessori quali ad esempio prese di forza pulegge supplementari impianti elettrici speciali ecc Peculiarit dell azienda quella di offrire un motore pronto all uso o alla installazione ci
22. bronzina in materiale pi tenero in questo caso alluminio Durante la fase di avviamento sotto carico si ha contatto metallo metallo abrasione e formazione di particelle d usura che nel tempo possono modificare la geometria della boccola gt Il carico di avviamento diviso per l area in pianta limitato a d lt 2 MP ID a Il valore della pressione specifica sul cuscinetto da valutare e monitorare anche mentre 1l motore in funzione in particolare al suo regime massimo cio 2600 RPM per I R753 163 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento In Figura 5 16 sono indicati i valori limite del carico radiale sui cuscinetti per diverse tipologie di applicazioni meccaniche L albero controrotante non un applicazione segnalata in tabella ma essendo nel caso qui analizzato montato in un motore Diesel s1 possono paragonare 1 sui cuscinetti ai perni di banco appunto di un motore Diesel Per questi perni la pressione specifica accettata si aggira attorno al 2 8 MPa Applicazione del cuscinetto Assali Locomotive Vagoni ferroviari Perni di manovella e di biella Aeromobili Automobili Diese Gas Vapore alta velocita Vapore bassa velocita Cesoie e punzonatrici Perni di banco Aeromobili Automobili Diesel as Vapore alta velocit Vapore bassa velocit Spinotti Acromobili Automobili Diesel Gas Vapore alta velocit Vapore bassa velocit G neratori m
23. ee rr ny lle di do ams i P_i ey A CT bel n gt ie Figura 5 3 10 I fluidi che mostrano questo comportamento sono detti fluidi newtoniani La viscosit degli oli lubrificanti diminuisce all aumentare della temperatura e deve rimanere contenuta entro certi limiti Non deve essere troppo elevata alle basse temperature per non creare problemi di avviamento del motore e di circolazione dell olio nelle condutture del circuito di lubrificazione Quanto pi elevata la viscosit alla temperatura di avviamento tanto maggiore il tempo impiegato dall olio a raggiungere tutti 1 punti da lubrificare con conseguenti maggiori usure La viscosit deve essere sufficiente alle alte temperature tipiche del normale funzionamento a regime affinch non si interrompa il velo di lubrificante provocando usura e successivamente grippaggio o fusione negli accoppiamenti meccanici pi delicati Oltre alla definizione di viscosit dinamica gi vista esiste anche la definizione di viscosit cinematica 145 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Nel sistema SI l unit di misura della viscosit dinamica p il Pas Ns m E tollerato l uso del centipoise cP 1cP 1075 Pas Nel sistema anglosassonel unita di misura della viscosit 11 pound forza per secondo su inch al quadrato cio una tensione o una pressione moltiplicata per un tempo L unit di misura ips chiamata
24. 1 che per la forma e l altezza dei denti Il parametro che pi interessa al fine della scelta del diametro del perno anteriore del contralbero il diametro esterno della dentatura che da disegno posto pari a da 58 7 9 amm 103 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Si immagina che in sede di montaggio sia per il supporto in due pezzi che per il supporto in pezzo unico con carter integrato ai sostegni anteriore e superiore il contralbero sia sempre inserito nel supporto da dietro cio dal lato volano per questo motivo il diametro del perno anteriore deve essere maggiore del diametro esterno della dentatura per accoppiarsi con la sede ricavata sul supporto anteriore mentre la dentatura esce dal supporto e va ad ingranare con la ruota oziosa dalla quale riceve 11 moto contrario a quello dell albero motore ma avente lo stesso regime di rotazione Per non esagerare con la dimensione del perno se ne fissa il diametro a dpa 59 5 mm maggiore di soli 8 decimi a quello esterno della dentatura Per quanto concerne il materiale la scelta cade inizialmente sull acciaio pensando appunto di realizzare 1l contralbero in acciaio stampato e poi portarlo allo squilibrio richiesto attraverso dei fori detti di equilibratura che per non equilibrano l albero ma permettono di raggiungere lo squilibrio desiderato Per la configurazione finale dell albero si analizza anche una
25. 1 limiti della macchina la cui equilibratura avviene in maniera manuale 65 Capitolo 2 L Equilibratura In questa fase l albero posto in rotazione a 400 giri minuto su supporti che integrano dei cristalli piezoelettrici La propriet di questi cristalli quella di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica di natura elastica effetto piezoelettrico diretto L albero in rotazione pi squilibrato dinamicamente e pi vibra esercitando delle pressioni sui supporti In questo modo 1 trasduttori piezoelettrici trasformano l energia meccanica di vibrazione in energia elettrica e un circuito trasforma il segnale elettrico in un dato a video il monitor indica quali siano le maschette dell albero a gomiti da forare e quanta massa in grammi deve essere asportata da ciascuna maschetta per riequilibrare l albero cio per riportare il baricentro dell albero sull asse di rotazione La macchina procede poi automaticamente alla foratura delle maschette Al termine del processo l albero posto nuovamente in rotazione per verificare se sia stato raggiunto l equilibrio tramite 1 fori praticati in precedenza e viene cos tolto dalla macchina in seguito il processo ricomincia per un nuovo albero a gomiti In base a quanto visto al paragrafo 2 3 1 gli alberi a gomiti per motori a 4 e 6 cilindri sono progettati in modo tale da risultare equilibrati sia staticamente che dinamicament
26. 5311 0 0208 0 54 0 9452 Iterazione 4 8 65 124 32 798 89 2373 6 8240 0 5298 0 0208 0 54 0 9461 of PrelWott qH q2 Q2 q1 Q1 Qk m 3 s AT Fin 0 0093 175 69 1 2424 1 09E 01 4 99E 06 0 0459 7 39E 06 1 24E 05 7 46 0 0099 186 72 1 2424 1 00E 01 4 23E 06 0 0424 6 82E 06 1 11E 05 8 92 0 0098 184 76 1 2424 1 01E 01 4 35E 06 0 0430 6 92E 06 1 13E 05 8 65 0 0098 185 12 1 2424 1 01E 01 4 33E 06 0 0429 6 90E 06 1 12E 05 8 69 Un altra verifica importante riguarda l altezza minima di meato Come si vede dai calcoli all ultima iterazione ho 20 8 um gt 9 um e quindi il Criterio di Kreisle rispettato 185 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento L ultima verifica vuole assicurare che le condizioni di funzionamento siano lontane dal punto di transizione tra lubrificazione idrodinamica e lubrificazione mista e la tabella seguente permette di verificare quanto appena descritto poich 1 valori della terza colonna relativa al giri al secondo del contralbero sono sempre maggiori di quelli della seconda colonna rispettando completamente il criterio 2 6228 28 92 43 33 2 4228 26 72 43 33 2 4564 27 09 43 33 2 4501 27 02 43 33 Per ovvie ragioni 1 due metodi di verifica descritti portano a valori diversi dei principali parametri da tenere sotto controllo durante la verifica ma in entrambi 1 casi la verifica ampiamente superata ed possibile realizzare 1 due cuscinetti con le dimensioni scelte 186 Capitol
27. 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti A tutti 1 nodi restanti appartenenti alle due facce e ai corrispondenti sul basamento si assegna il vincolo di uguali spostamenti in direzione X cio appunto la direzione dell asse delle viti Lo step successivo riguarda l assegnazione dei carichi Per meglio distribuire i carichi sia per il tiro delle viti che per le forze dovute alla coppia centrifuga generata dal contralbero in esercizio si utilizzano degli elementi rigidi che HyperMesh chiama RBE Gli RBE rappresentano le teste delle 4 viti che dopo il serraggio premono sul supporto e consentono di distribuire in maniera proporzionale le forze agenti sul cuscinetto che altrimenti si dovrebbero applicare ad un singolo nodo In Figura 6 20 rappresentato in azzurro RBE che serve per applicaree distribuire al meglio la forza dovuta alla testa delle viti che agisce comprimendo in questa zona in supporto Per prima cosa si crea un nodo temporaneo che giace sull asse della vite e che rappresenta il nodo dipendente e successivamente si selezionano 1 nodi indipendenti cio tutti 1 nodi del supporto dove poggerebbe la testa della vite Le definizioni dipendente e indipendente le fa il software per distinguere il nodo a cui applicato il carico cio il dipendente da quelli a cul il carico viene ripartito gli indipendenti Il nodo dipendente non deve per forza appartenere alla mesh del componente e in
28. 63A montato sul trattore in India I trattori al termine del montaggio sono poi destinati al mercato nord americano Figura 2 19 Motore R7531E4 61A La VM Motori si occupa di tutte le fasi che vanno dalla progettazione all assemblaggio del motore finale passando per tutti quegli indispensabili stadi intermedi che permettono la realizzazione di un prodotto d eccellenza come lavorazioni meccaniche e trattamenti termici su basamenti alberi a gomiti e alberi a camme studi di calibrazione e prove di durata dei motori prototipali La versione 60A con albero controrotante nasce per un esigenza ben precisa realizzare una variante pi evoluta del motore esistente per equipaggiare macchine operatrici industriali come Skid Steer Loader Figura 2 20 e mini escavatori Sia Capitolo 2 L Equilibratura Il motore R753IE4 senza albero controrotante e quindi nelle versioni per trattori agricoli ha delle vibrazioni che non sono sostenibili da un operatore che si trova ad utilizzare per un intero turno lavorativo uno Skid o un mini escavatore In queste versioni infatti la risultante dei momenti delle forze alterne d inerzia del primo ordine bilanciata al 50 e solo grazie ai contrappesi ricavati direttamente sull albero a gomiti al volano e alla puleggia che presi singolarmente risultano a loro volta squilibrati Con un albero controrotante sarebbe possibile equilibrare completamente la coppia dovuta alle forze alterne del
29. In ordinate sono riportati 1 valori della pressione specifica ammissibile O F Ps BD Definita come rapporto tra il carico F e la proiezione della superficie portante del cuscinetto in direzione perpendicolare al carico B D Figura 5 15 Influenza del rapporto B D sulla capacit di carico di un cuscinetto radente 1 Si noti che per valori elevati del rapporto B D la capacit portante del cuscinetto diminuisce Ci dovuto alla difficolt di realizzare un perfetto allineamento tra perno e cuscinetto con possibilit che si instaurino zone di lubrificazione in velo sottile film d olio di piccolo spessore e contatto diretto tra superficie del perno e del cuscinetto Per valori troppo bassi del rapporto B D non si verificano le condizioni di portanza idrodinamica in quanto la maggior parte del lubrificante sfugge dalle estremit del cuscinetto 160 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 5 5 Progetto di un cuscinetto a strisciamento Nella progettazione dei cuscinetti a strisciamento possibile distinguere due gruppi di variabili Nel primo gruppo ci sono quelle di cui 1 valori sono o assegnati o sotto il controllo del progettista Queste variabili sono La viscosit 4 Il carico per unit di area in pianta P La velocit di rotazione N Le dimensioni del cuscinetto r c p e L Di queste quattro variabili il progettista di solito non ha il controllo sulla velocit
30. RUOTA OZIOSA Interasse mm i j Spostamento mm 0 312 Modulo normale m mm Diametro esterno mm r 052 Angolo di pressione a Diametro primitivo nominale mm 94 076 Angolo dell elica 6 Diametro primitivo di funzionamento mm 83 726 Coeff Addendum utensile hy Diametro limite di coniugazione sul fondo mm 80 731 Coeff Arrot testa utensile ro Diametro limite profilo evolvente al piede mm 19 707 N denti ruota 1 RUOTA OZIOSA Margine tif mm 0 512 N denti ruota 2 CONTRALBERO Diametro di fondo mm T1 612 Larghezza fascia mm Gioco sul fondo mm 0 616 Diametro di base mm 76 268 Spessore di testa mm 1 918 Dati di ingranamento Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 263 Modulo trasversale m mm 2 156 isci l i i Angolo di press trasversale c 21 421 at str i Angolo di press trasv di funzionamento ay 20 502 Misura cordale su 6 denti mm 33 612 Angolo elica di funzionamento fi 21 833 Spessore sul diametro limite profilo evolvente 4 263 Angolo elica su diametro di base Pp 20 532 Misura cordale su 5 denti mm 27 108 Modulo trasversale di funzionamento my 2 147 Addendum utensile Ho imm 1 308 Dati Ruota 2 CONTRALBERO Somma coeff di spostamento X1n X2n 0 142 Xan 0 014 Xin minimo per evitare sottotaglio 1 525 Spostamento mm 0 029 X2n minimo per evitare sottotaglio Diametro esterno mm 57 952 Xin impostoj Diametro primitivo nominale mm 53 895 Riawicinamento assi mm Diametro primitivo di funzionamento mm 53 670 Ricopr
31. ae DEL RNA TAETITI VAGO i BERS E1210 RN GE E I THAT ORI 0 0 01 0 02 0 04 0 06 0 1 0 2 04 0 6 0 81 0 2 4 6 a w S Numero caratteristico del cuscinetto S E 5 Figura 5 26 Diagramma del parametro d attrito 8 Ravn s TE G waess cao Lette 6 cn pain AM i he EHE F Se fe I mallet Sn A SESATI e ut ane DN tl 18 ea ERE tid ABA MRI o SS RR jim RG Tia et Bee BBs ttt syst eesti Lili Mit patti Mu FHA aH TEETE EEHEEHE jaa Hib aas pantiin umaana Sa TER LIE RIT MS 8 E TIT Masa aes 14 nas tied inti Baas 214111 nel ae HETEK EASINITIINSG aN it E meas tame SPHINN MEME en ESTA CULI DOA bat Hi me em me DARLA MAAA SES IS SS a of DB ASh SENS ERP ER NS BEES l BTS eS ikna 4 Piet HEH HIN ANA TA it Eanan P NST tay N E ENO laren ba R HAAS Sel ILA uni ne EENI ERROTEN mnm an HHHH As bat Ss tame Sh fe Bet dee w Dn an A Fae aa se i ce 4 Se ty ot bes Eo FELLE ln ee WF erie irta ania ey IA ATTI O CCOSSATIONIEITTILI FILONI II TTOTTIIRIUI Stl tt iD ish ste ALITO mee SET RD REIT ter Sees BOREL eRe ERE HE di ad i Ha Ci CAT N UHeSR 1 es Pele ore w ENES lt s MEGS mn ni todi ti Se Be teas IEEE trp CREPERIE SEH pet Ser Ha ia n Bh Hit Hees SERIN T IHI Bap sai Hii eS m PZL is HAN Gast ame mem snek pi Reese eee ma ewer HS Severe rez an FERRERA penn MATH HINA F E E off AAA A AH ti tim RHE 4 4 Pat tad TTT Tn
32. al modulo di Poisson e alla densit La scelta delle unit di misura per queste grandezze molto importante perch a seconda che si stiano usando le unit di misura del SI o quelle delle SI modificato si dovr assegnare un certo valore al parametro WIMASS Il SI modificato questo gt Linmm gt Masse in kg gt Tempo in secondi gt Forze in N Le grandezze che derivano da queste sono 192 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti gt Modulo di Young in MPa equivalente a N mm gt Accelerazione in mm sec gt Densit ho due possibilit in kg mm con WTMASS 0 001 oppure in tonnellate mm e WTMASS si lascia pari a 1 come da default Nel caso in cui la densit venga scritta in kg mm nel caso in cui non sl impostasse il parametro WTMASS 0 001 un kg massa sottoposto alla forza di 1 N avrebbe un accelerazione di 1000 volte maggiore del previsto Quindi per riportare 1 calcoli a risultati compatibili e veritieri le masse vanno scalate moltiplicandole per 0 001 il parametro WTMASS appunto La Figura 6 7 mostra la finestra di HyperMesha dove viene definito il parametro WTMASS Come si vede in figura WTMASS stato fissato pari a 0 001 e ci significa che la densit stata definita in kg mm ed esattamente per l acciaio di cui fatto l albero controrotante la densit risulta p 7 9 107 kg mm POST_VI PARAM POST 1 WTM_ 1 PARAM WTMASS 0 001
33. albero controrotante nella sua configurazione definitiva quella che stata chiamata soluzione gamma Y e quindi ci si riferisce al supporto in pezzo unico ottenuto con una fusione di alluminio Trattando il supporto sono state considerate anche le lavorazioni sul basamento poich come gi visto 11 basamento lavorato delle due versioni del motore gi in produzione la R753IE4 61A e la R753IE4 63A non predisposto per il montaggio dell albero controrotante ma necessita di lavorazioni diverse sulla parete destinata ad ospitare l applicazione Le dimensioni principali di cui tenere conto nella modellazione del supporto sono 1 diametri dei perni del contralbero e la lunghezza del contralbero stesso Queste grandezze vincolano per alcuni aspetti la progettazione del supporto sicuramente nel dimensionamento delle sedi dei cuscinetti e nella lunghezza del supporto La lunghezza del supporto dipende in parte dalla lunghezza longitudinale dell albero ma anche dallo spazio messo a disposizione dal basamento Figure 4 9 Supporto lavorato finale Il supporto della soluzione gamma realizzato in alluminio con un processo di fusione con anima in sabbia Le lavorazioni di fonderia o processi di fusione consentono di ottenere manufatti per mezzo della solidificazione di metallo liquido colato in opportune cavit forme nelle quali s1 versa la lega allo stato fuso a solidificazione avvenuta si estrae 1l greggio di fusione Questo proces
34. come tensioni di von Mises sui cuscinetti sono diversi da un caso all altro ma le tensioni restano comunque ampiamente al di sotto dei limiti critici 204 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Contour Plot Stress vonMises 156 411 MPa Analysis system Simple Average 1 565E 02 1 391E 02 1 217E 02 1 043E 02 6 692E 01 6 954E 01 5 216E 01 3 476E 01 1 740E 01 1 730E 02 E No result Max 1 565E 02 Node 116861 Min 1 730E 02 uit 198688 lata 156 451 MPa Figura 6 23 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 2 Contour Plot Stress vonMises Analysis system Simple Average 1 565E 02 1 391E 02 1 217E 02 1 043E 02 8 693E 01 6 955E 01 5 216E 01 3 476E 01 1 740E 01 1 628E 02 E Wo result Max 1 565E 02 Node 116861 Min 1 626E 02 dite 198899 lad 156 324 MPa 153 367 MPa Figura 6 24 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 3 Contour Plot Stress vyonMises Analysis system 156 666 MPa Simple Average 1 567E 02 1 393E 02 1 219E 02 1 044E 02 6 704E 01 6 964E 01 5 223E401 3 483E 01 1 742E 01 1 633E 02 E Wo result Max 1 567E 02 Node 116263 Min 1 633E 02 Mage 198928 La 153 461 MPa Figura 6 25 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 4 205 Mi Wo result Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti E No result Figura 6 28 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO I senza il tiro delle
35. con le approvazioni delle autorit competenti l acquisizione da parte di Fiat Group Automobiles della quota del 50 detenuta in VM Motori S p A da General Motors per una cifra attorno ai 34 milioni di Euro Oggigiorno il gruppo Fiat controlla quindi 11 100 di VM Motori 1 2 Organizzazione VM Motori nel 2011 ha adottato un nuovo sistema di organizzazione per migliorare e implementare le proprie performance aziendali 11 WCM World Class Manufacturing Il WCM un sistema di organizzazione della produzione scelto da FIAT Chrysler e da altre grandi realt industriali quali Tetra Pak Ariston Poste Inglesi Ha come obiettivo quello di migliorare l efficienza del sistema produttivo e garantire un alta qualit del prodotto eliminando sprechi e perdite attraverso il coinvolgimento di tutti e l impiego delle migliori metodologie utilizzate a livello mondiale Si prefigge di raggiungere il pi alto valore possibile zero infortuni zero difetti zero guasti zero sprechi e zero scorte Intende puntare al miglioramento del prodotto del sistema di produzione e dell intero ambiente di lavoro creare le condizioni ottimali per operare al meglio Simbolicamente viene rappresentato da una struttura a tempio che si regge su 10 pilastri fondamentali o pillar e Sicurezza e Analisi dei Costi e Miglioramento Focalizzato e Manutenzione Autonoma e Organizzazione della Postazione di Lavoro 0 Capitolo 1 VM Motori S p A e Manutenz
36. connesse alla manovella e rotanti con essa sono soggette alla forza centrifuga data da F m w r in cui la velocit angolare Per prima cosa bene chiarire quali sono le parti dotate di moto alternato e quali quelle rotanti al fine di determinare esattamente 11 valore delle masse da considerare nei calcoli di forze e momenti In Figura 2 6 rappresentato il sistema biella pistone del motore a 3 cilindri R753IE4 di attuale produzione VM Lo stantuffo e le parti ad esso direttamente applicate sono dotate di moto alterno al contrario per quanto riguarda la biella necessario suddividere la sua massa in una componente alterna e in una rotante L estremit della biella collegata al pistone piede di biella partecipa al moto alternato mentre quella collegata all albero attraverso il perno di manovella testa di biella partecipa al movimento di rotazione di quest ultimo La biella infatti porta un occhio a ciascuna estremit per l articolazione da una parte con lo stantuffo e dall altra con il perno della manovella in ogni occhio sistemato un cuscinetto Il _ 39 Capitolo 2 L Equilibratura cuscinetto del piede di biella lo si considera parte integrale della biella mentre il cuscinetto della testa di biella si considera come parte a s stante e d ora in poi sar chiamato semplicemente cuscinetto di biella In questo caso il cuscinetto di biella non costruito in un unico pezzo tubolare boccola ma
37. controrotante L olio ovviamente lo stesso che lubrifica le altre zone del motore dove necessario garantire una lubrificazione costante e forzata L albero controrotante posizionato con il suo supporto dalla parte del basamento in cui s1 trova quella che viene chiamata Main Gallery cio una galleria interna al basamento in cui scorre l olio in pressione inviato dalla pompa Da qui l olio viene mandato ai perni dell albero a gomiti ai perni dell albero a camme al tubo di mandata olio al turbo e a lubrificare e raffreddare la zona sottostante 1 pistoni Poich il supporto del contralbero direttamente montato sul basamento s1 pensa di praticare dei fori sul basamento e sul supporto in corrispondenza alla Main Gallery e ai cuscinetti del contralbero cosicch l olio possa raggiungere grazie alla pressione di mandata anche 1 perni dell albero controrotante La Figura 4 18 mostra una sezione del basamento e del supporto dell albero controrotante In rosso evidenziato il percorso dell olio dalla Main Gallery ai cuscinetti del contralbero grazie ai fori praticati 121 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y MAIN GALLERY Gre Figure 4 18 Percorso dell olio dalla Main Gallery ai cuscinetti del contralbero 4 5 Posizionamento e progetto degli ingranaggi Un argomento di non poco rilievo rappresentato dal treno di ingranaggi che trasferiscono 11 moto
38. costruito in due pezzi semicircolari tra loro accoppiati che vengono chiamati semigusci o bronzine I cuscinetti delle teste di biella e dei supporti di banco cio dei supporti dell albero motore ricavati nel basamento sono formati da due bronzine per motivi di montaggio Per quanto riguarda il fusto della biella buona norma nel caso di bielle usuali conglobare un terzo della sua massa con la testa e gli altri due terzi con il piede trascurando la coppia d inerzia della biella PISTONE o STANTUFFO A Piede di a biella I 7 u BIELLA CUSCINETTO DELLA TESTA DI Testa di BIELLA biella BRONZINE Figura 2 7 Gruppo biella pistone Si considerano quindi con buona approssimazione concentrate sull asse del perno del pistone e dotate di moto alterno le masse delle seguenti parti e pistone completo di spinotto anelli elastici e 1 3 della massa della biella completa di boccola al piede di biella e viti _ 40 Capitolo 2 L Equilibratura e stelo completo e testa a croce quando esistono come nel caso dei grandi motori Diesel marini o industriali ma non nel nostro caso Si considerano concentrate sull asse del perno di manovella e dotate di moto rotatorio le masse delle seguenti parti e perno di manovella e 2 3 della massa della biella completa di boccola al piede di biella e viti e cuscinetto di biella Sono inoltre da considerare come parti generanti forze centrifughe 1 bracci di mano
39. delle forze centrifughe identica Analogamente le coppie dovute alle forze alterne del 1 ordine sono equilibrate quando lo sono le coppie dovute alle forze centrifughe delle masse rotanti e cio quando l albero risulta equilibrato dinamicamente _ 49 Capitolo 2 L Equilibratura 2 3 3 Equilibratura delle forze alterne del 2 ordine Figura 2 15 Forza alterna del 1 ordine rappresentata da vettori rotanti 5 La forza alterna del 2 ordine Fa pu essere immaginata come la proiezione sull asse del cilindro di una forza centrifuga m w r che formi sempre con quell asse un angolo doppio di quello della manovella dato che la sua frequenza doppia di quella del 1 ordine E bene tener presente che tanto le forze quanto le coppie del 2 ordine non sono equilibrabili nemmeno con l aggiunta di contrappesi sull albero motore visto che eventuali masse equilibratrici dovrebbero ruotare a velocit doppia dell albero stesso Non esiste quindi alcuna relazione fra l equilibratura dell albero e quello delle forze e delle coppie del 2 ordine contrariamente a quanto si verifica per quelle del 1 ordine Comunque l importanza delle forze alterne del 2 ordine agli effetti delle vibrazioni del blocco motore meno sentita di quella delle forze del 1 ordine dato che le rispettive grandezze stanno nel rapporto 4 in media 0 25 0 30 In genere un albero accettabile quando sono soddisfatte le condiz
40. dipende solo dalle forze centrifughe F La coppia alla quale sottoposto il motore prende il nome di coppia di reazione ed esattamente eguale e contraria alla coppia motrice Possiamo osservare che 3g Capitolo 2 L Equilibratura 1 b LcosB r cosa r Z cosg cosa cosicch la coppia di reazione ricordando le espressioni di Fn di sinp e di cosf vale 1 1 sin f E b Fr tan cos 8 cos a Fr sinB pesa sin 6 cosa V1 A2 sin a ed quindi uguale in intensit ma di verso opposto a quella motrice la cui dimostrazione Fr sna4 Fr sina sin 2a viene data per assodata I ragionamenti fatti per 11 motore a un solo cilindro possono facilmente estendersi a motori con un numero qualsiasi di cilindri e 11 motore di questi ultimi sar soggetto nel caso pi generale a una forza risultante avente componenti secondo due dei tre assi coordinati e a un momento risultante avente componenti secondo tutti e tre gli assi coordinati 2 2 2 Masse dotate di moto alternato e masse rotanti Poich si conoscono le leggi che regolano il moto delle parti che compongono il manovellismo facile ricavare in relazione alle masse di queste le forze che dal movimento stesso sono generate Infatti le parti del manovellismo dotate di moto alterno sono soggette a forze d inerzia calcolabili per mezzo della formula generale Fy m a in cui m la massa alterna e a l accelerazione mentre le parti
41. due superfici accoppiate La finitura superficiale ha quindi grande effetto sulla qualit della lubrificazione 5 4 2 Considerazioni sul funzionamento dei cuscinetti a strisciamento I cuscinetti a strisciamento detti anche radenti o portanti sono fissati al loro supporto e in essi ruota l albero che trasmette un carico radiale F La capacit portante dei cuscinetti lubrificati dovuta alla portanza idrodinamica derivante dalla formazione di un meato d olio a spessore variabile nel moto rotatorio relativo del perno rispetto al cuscinetto Nei cuscinetti radenti si distinguono tre diverse configurazioni come mostrato in Figura 5 10 di riposo di avviamento e di funzionamento a regime Nelle condizioni di riposo e di avviamento il perno e il cuscinetto sono a contatto diretto Configurazioni di un cuscinetto radente a Riposo b Avviamento c Funzionamento a regime Figura 5 10 Configurazioni di funzionamento di un cuscinetto a strisciamento 1 Per effetto della rotazione del perno l olio viene trascinato nella zona di gioco minimo dove Si incunea provocando il distacco del perno dal cuscinetto e il carico radiale F viene sopportato dalla pressione che nasce nel meato d olio sottostante 156 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Per ovvie ragioni il materiale con cui dev essere fatto il cuscinetto deve avere basso coefficiente di attrito e spiccate attitudini antigrippaggio per gli i
42. ei Done Diametro esterno mm Diametro di fondo mm 77 812 Spessoreditesta mm _ _ Strisciamento specifico al contatto inf mm Tabella 4 4 I dati che si modificano sono il Diametro esterno lo Spessore di testa e lo Strisciamento specifico al contatto inferiore Il Diametro esterno diminuisce e di conseguenza aumenta lo Spessore di testa perch si sta pensando di tagliare il dente e questo come spiegato poco sopra rappresenta un vantaggio al fine di aumentare la distanza tra le teste dei denti e il coperchio in antiphon del basamento Lo Strisciamento specifico al contatto inferiore invece aumenta indicando che l usura della dentatura sar pi veloce nel tempo rispetto al caso di ribassamento nullo Un ribassamento di 2 decimi della testa dei denti della ruota oziosa non modifica in alcun modo la Misura cordale e nemmeno la Misura tra le sfere parametro che controlla il gioco sui fianchi dei denti Stabiliti a questo punto 1 parametri costruttivi della Ruota oziosa non resta che fare lo stesso per la Ruota dentata del contralbero operando in un foglio di calcolo della stessa tipologia di 128 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y quello in Figura 4 20 che vedra come oggetto di studio proprio queste due ruote Figura 4 21 Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Calcolo geometrico Dati di progetto Dati Ruota 1
43. entrambe le ruote dentate mentre il diametro delle sfere stato posto pari a 3 5 mm Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Misura tra le sfere Dati necessari al calcolo Dati calcolati N denti ruota 1 39 diametro sfera ruota 1 5 023 N denti ruota 2 25 diametro sfera ruota 2 10 140 Modulo trasversale di funzionamento me 2 147 O tri 49 553 Angolo di press trasv di funzionamento sy 20 80160 in f2 470 Angolo elica su diametro di base B 20 5324 Ruota 1 Diametro primitivo di funzionamento mm 83 726 Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 263 Diametro di base mm 76 268 Ruota 2 Diametro primitivo di funzionamento mm 53 670 Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 481 Diametro di base mm 50 172 Dati da inserire Ruota 1 Ruota 1 Diametro unificato perle sfere 35 misura tra le sfere tolleranza min 0 07 max tolleranza max 0 03 min Ruota 2 Ruota 2 Diametro unificato perle sfere a5 misura tra le sfere tolleranza min 0 07 max tolleranza max 1 03 min Il calcolo andato a convergenza VERO Figure 4 23 MIsura tra le sfere per ruota oziosa e ruota dentata del contralbero Profilo del dente della ruota 1 In questa schermata possibile visualizzare 11 profilo ad evolvente di un dente della ruota 1 Nella parte sinistra visualizzato solamente il profilo nella parte destra sono visibili grazie alle diverse colorazioni le diverse parti del profilo ossia la testa l evolven
44. gi agli albori della fase progettuale riguardante la soluzione a La stessa posizione si mantenuta anche per la soluzione B come si vedr nel proseguo del capitolo con qualche lieve differenza nelle lavorazioni meccaniche del basamento stesso Il lato del basamento destinato ad ospitare l albero controrotante quel lato in cui il basamento predisposto per la presa di forza cio guardando il basamento dal lato anteriore cio il lato della distribuzione il lato Tuttavia non possibile sfruttare il basamento cos come si presenta per 1 motori R753IE4 nelle versioni 61A e 63A dopo esser stato sottoposto alle varie lavorazioni meccaniche per queste versioni sul lato in cui si ritiene opportuno montare l albero controrotante il basamento grezzo si presenta con una tasca semicircolare come in Figura 3 4 In questa zona durante le fasi finali delle lavorazioni che interessano il basamento si accosta alla tasca un cappellotto di supporto pompa idraulica anch esso presentante di grezzo una tasca semicircolare e si serra l accoppiamento con due viti prima a 30 Nme poi a 70 Nm Successivamente viene eseguita una barenatura di diametro 80 mm per nia Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica lavorare quella che sara la sede di una bronzina la lavorazione eseguita dopo il montaggio del cappellotto per avere la stessa precisione di circolarit sul basamento e sul cappellotto stesso Questa p
45. giunti in azienda ad una configurazione ben definita dell applicazione albero controrotante quella che abbiamo fin qui chiamato soluzione a ma tuttavia non ottimale e non ancora definitiva La soluzione a non ha mai visto la produzione e quindi non mai stata industrializzata con tutte quelle che possono essere le modifiche necessarie da apportare a un progetto modifiche che risultano imprescindibili solo se lo sviluppo raggiunge la fase di montaggio L albero controrotante deve generare ruotando alla stessa velocit dell albero a gomiti una coppia centrifuga che riesca ad equilibrare met della coppia risultante dovuta alle forze alterne del 1 ordine pari a 572 93 Nm calcolata al paragrafo 2 5 3 3 Affinch questo _ 79 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica accada l albero deve avere due masse eccentriche originanti ciascuna una forza centrifuga Le due forze centrifughe aventi verso opposto ed essendo parallele generano una coppia pari a F b dove F la forza centrifuga di ciascuna massa e b il braccio tra le forze La soluzione a prevede un albero in acciaio sostenuto da un supporto composto di tre parti supporto anteriore con sede per un cuscinetto coperchio centrale carter e supporto posteriore con sede per l altro cuscinetto Il carter collega i due supporti quello anteriore e quello posteriore che sono a loro volta fissati al basamento con due viti ciascuno Il supporto an
46. in mare necessari a garantire la sicurezza e la funzionalit a bordo La sigla motore per questa categoria di propulsori comincia con la lettera M seguita dalle lettere D o R a seconda che l iniezione sia diretta o Common Rail All interno di questa famiglia troviamo PMR 504 un diesel 4 tempi di cilindrata per canna pari a 500 cc 2000 cc totali Questo motore compatto robusto e affidabile allo stesso tempo prodotto per Mercury Diesel principale cliente VM per quanto riguarda il settore marino L MR 504 presenta il massimo della tecnologia per quanto riguarda il sistema Common Rail di iniezione del gasolio ed Figura 1 7 MR 504 15 completamente compatibile con indicatori digitali e display multifunzione cos da permettere DI Capitolo 1 VM Motori S p A all utente finale di accedere a molteplici informazioni riguardanti l imbarcazione e la navigazione Il motore MR 504 mostrato in figura 7 Al motore MR 504 si affiancano 1 motori marini MR 704 e MR 706 a 4 e 6 cilindri rispettivamente con una cilindrata per canna di 700 cc e dotati di turbocompressore ed aftercooler per un ottimizzazione delle prestazioni e dei consumi Il raffreddamento avviene tramite scambiatore di calore acqua dolce acqua di mare a circuiti separati con fascio tubiero estraibile garantendo cos una facile manutenzione Il circuito elettrico protetto da interruttori automatici per un migliore isolamento e
47. intervengono sulla lubrificazione sono 1 seguenti Finitura delle superfici in moto relativo Caratteristiche dei materiali con cui sono costruite le parti accoppiate Gioco esistente nell accoppiamento Natura e valore delle forze trasmesse Quantit d olio inviata a lubrificare le parti Temperatura e caratteristiche fisiche e chimiche dell olio La lubrificazione dei vari organi del motore si esplica in modi diversi a seconda della legge di moto di cui sono animati Gli stantuffi le punterie e gli steli delle valvole si muovono di moto alterno e la lubrificazione affidata soltanto al sottile strato di lubrificante che si trova tra le superfici e alla sua capacit di assicurare una buona lubrificazione in condizioni limite Nel cuscinetto del piede di biella dove il moto relativo al perno oscillante non esiste portanza idrodinamica dovuta al gradiente di pressione che si genera quando il perno ruota Durante l applicazione del carico il sottile strato d olio interposto tra le superfici del perno e del cuscinetto viene schiacciato per cui si genera un aumento di pressione capace di sopportare il carico applicato I cuscinetti dell albero a gomiti cuscinetti delle teste di biella e dei supporti di banco funzionano in condizioni di portanza idrodinamica derivante dalla formazione di un meato d olio a spessore variabile nel moto di rotazione relativa del perno rispetto al cuscinetto I cuscinetti dell alber
48. la misura corretta della fascetta la norma suggerisce di procedere in questo modo gt Misurare i diametri Dmin Dmax che in questo caso valgono D 22 5 mm e Dmax 24 mm gt Dal diametro minimo Dmin valutare il diametro nominale appropriato della fascetta Dn che in questo caso assunto pari a 22 mm gt Confrontare Dmaxcon il valore Do dato dalla Tabella 4 4 corrispondente al diametro nominale D selezionato La fascetta selezionata corretta se Do 2 D mar Come si vede in Tabella 4 2 Pi PI ua Color Coding Do 24 5 ed essendo uguale a Dmax soddisfa la DIN 3021 perci la fascetta il cui codice termina per 2223F corrisponde ad una buona scelta 1 Nelle Figure 4 16 e 4 17 2102F 2108F rappresentato il sistema di scarico 2111F La RETE olio con tutti 1 componenti mostrati i 24 5 z 2223F in dettaglio 2 a 2112F Tabella 4 3 120 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Figure 4 16 Sistema di scarico dell olio proveniente dal supporto Tubo in somma curvo va montato sul manicotto integrato al supporto Fascette a molla Anello forato con manicotto integrato Bullone forato va avvitato sul basamento Anello di tenuta in rame Figure 4 17 Tubo di scarico dell olio con tutti i componenti Fino ad ora non stato specificato da dove arrivi l olio lubrificante che raggiunge 1 cuscinetti dell albero
49. le seguenti grandezze e Coordinate dei baricentri misurate rispetto all asse di rotazione su un piano ortogonale all asse stesso e Distanza dei baricentri da un piano di riferimento preso come il piano passante per la mezzeria del secondo perno di manovella e ortogonale all asse dell albero e Masse delle maschette e dei perni di manovella Tutte queste grandezze sono state determinate attraverso un software CAD di modellazione ovvero Catia V5 Le masse si sono calcolate nell ambiente di modellazione 3D impostando come materiale per l albero Acciaio avente densit 7860 kg m 3 mentre le altre grandezze TO Capitolo 2 L Equilibratura coordinate dei baricentri e loro distanze dal piano di riferimento si sono determinate nell ambiente 2D In Figura 2 30 mostrato come sono state misurate le coordinate del baricentro della prima maschetta dell albero Prima di aver misurato le coordinate di tutti i baricentri si considerato l albero in una posizione ben precisa in altre parole con la seconda manovella nella posizione di punto morto superiore P M S Figura 2 31 Figura 2 32 Albero a gomiti con la seconda manovella al P M S Cos come si pu intuire osservando il modo in cui sono state misurate le coordinate dei baricentri 1 momenti statici sono stati calcolati rispetto a due piani un PIANO ORIZZONTALE H e un PIANO VERTICALE V Figura 2 32 Infatti moltiplicando le masse per la corrispon
50. log T Cy dove le costanti si determinano dal seguente sistema di due equazioni in due incognite ___loglog v 0 6 loglog v 0 6 a log T2 log T1 C loglog v 0 6 C log T Con v4 e v le viscosit cinematiche corrispondenti alle temperature 7 e T3 Nota la viscosit dinamica alla temperatura media T si pu passare al calcolo del numero di Sommerfeld S che in questo caso si valuta come 2 P Ga m U w con W gioco relativo P pressione media di contatto e u viscosit dinamica A questo punto il passo successivo secondo la DIN 31652 riguarda il calcolo dell altezza minima di meato ho che viene valutata in due modi diversi a seconda che S sia maggiore o minore di 1 Se So gt 1 allora g1 26 0 22851 B mentre se Sy lt 1 Queste formule danno una buona approssimazione per lo spessore minimo di meato ho che va poi verificato con il Criterio di Kreisle In accordo con la DIN 31652 si calcola ora il coefficiente d attrito f definito come f w10 dove w il gioco relativo e Y un coefficiente pari a Y C E logSo F logS G logS H logS dove C E F Ge H sono delle costanti che dipendono dal rapporto l d 180 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Di seguito specificato come la DIN 31652 definisca queste costanti 2 3 4 l l l l C 1 153423 2 69332 3 6 552763 4 7 81938 4 3 405146 l Ie I ine E 0 7441784
51. maggior parte dei componenti ed stato costruito in centinaia di migliaia di unit da Hyundai nei primi anni 2000 proprio su tecnologia e licenza VM Successivamente stato aggiornato per raggiungere le Figura 1 2 London Taxi 15 374 Capitolo 1 VM Motori S p A prestazioni richieste dal mercato e rispettare le normative anti emissioni nocive in vigore La famiglia che per numero di cilindri si colloca in posizione intermedia quella dei 4 cilindri Tra questi il motore con la pi bassa cilindrata prodotto da VM P R425 motore di 2500 cc che sviluppa una potenza massima di 75 kW 4 cilindri in linea con 4 valvole per cilindro e iniezione Common rail L autovettura equipaggiata con questo motore il London Taxi Di cilindrata superiore vi il motore A428 sempre un 4 cilindri in linea a 16 valvole iniezione Common rail Questo motore viene montato su due diverse autovetture in due versioni differenti per potenza massima erogata la Lancia Vojager equipaggiata con un A428 di 120 kW mentre la Jeep Wrangler monta sempre un A428 ma con una potenza massima di 147 kW Figura 1 3 Jeep Wrangler 15 Chiude la linea automotive quello che si configura come il fiore all occhiello del catalogo VM per il mondo automotive ovvero un 6 cilindri a V di 60 con 3000 cc di cilindrata Questo motore viene prodotto da VM in 3 versioni differenti La versione A 630 V6 omologata EURO 5 destinata al mercato Euro
52. modo da originare 2 coppie pari alla met di quella squilibrante fittizia e di segno contrario Le masse devono fornire un momento statico V3m ra AE E 2 d Poich queste masse possono essere aggiunte a quelle che servono a equilibrare la coppia causata dalle centrifughe normalmente si usa come albero equirotante l albero motore Nella Figura 2 18 indicata schematicamente la posizione dei contrappesi Se non si vuole un albero controrotante conviene limitarsi ad equilibrare met della coppia accettando una coppia squilibrata controrotante Figura 2 18 Equilibratura delle coppie alterne del 1 ordine 5 5 Forze alterne del 2 ordine Sono equilibrate Infatti se 9 l angolo generico della prima manovella cilindro 1 gQ cos 2a cos 29 cilindro 2 a Q 240 cos 2a cos 29 480 cos 29 120 _55 Capitolo 2 L Equilibratura cilindro 3 a 2 120 cos 2a cos 2 9 240 Da cui la risultante YF m r A cos 29 cos 29 120 cos 2 2 240 m r A cos 29 5 cos 29 sen29 5 cos 29 sen29 da cui gt F 0 6 Coppia dovuta alle forze alterne del 2 ordine Dal punto 5 si ha YM aF 2aF m r Alcos 2 9 120 2cos 2 9 240 sviluppando l espressione fra parentesi quadre si ha Di J3m r Aa cos 2 9 150 Valgono qui tutte le considerazioni fatte al punto 4 con l avvertenza che 11 modulo ridotto del fattore 4 la pulsazione doppia e la
53. per 1 4 casi analizzati si vede che la distribuzione delle tensioni all incirca la stessa proprio per questo motivo Le forze sui cuscinetti pur essendo rotanti e cambiando direzione e verso da un caso di studio all altro non sono per nulla critiche e non contribuiscono a modificare lo stato di tensione rispetto a quanto non facciano gi da sole le forze dovute alle viti Le tensioni massime di von Mises si hanno sul supporto al di sotto della testa delle viti ma in termini di valore numerico come si pu osservare dalle note in figura non superano mai la tensione di snervamento dell alluminio di cui fatto il supporto cio 180 MPa Queste tensioni supererebbero il limite di fatica ma sono dovute a carichi statici e quindi non si parla di cicli di fatica in questa zona del supporto Contour Plot stress vonMlises Analysis system simple Average S65E 12 at 1 217 EH i O4SE 12 o 6S6EH11 G S5 EHII 5 218E 1 3 479EHI 1 740E 01 1 401E 02 Max 1 5655 02 Node 116263 Min 1 401E 02 Nada 190099 lati Poich apparentemente poteva risultare strano che le 4 analisi portassero ad uno stato di Figura 6 22 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 1 tensione simile cio circa identico tra l una e l altra si eseguita nuovamente l analisi FEM per 14 casi previsti con un solo tipo di carico cio le forze sui cuscinetti Questa volta 1 risultati delle 4 analisi visibili nelle Figure 6 26 6 29
54. pistone e la biella La massa del pistone del motore R753IF4 Figura 2 22 stata valutata sommando le masse dei singoli componenti che lo costituiscono prese o da disegno 2D se esistente o da modello CAD 3D La tabella seguente raccoglie 1 pesi di tutte le parti che definiscono il pistone completo e la sua massa totale 60 Capitolo 2 L Equilibratura La massa del pistone completo Mp pari a 1178 g e costituisce una delle due masse alterne che determinano la massa alterna totale Figura 2 22 Pistone del motore R753IE4 D 94 mm 20252102F PISTON 1 785 g 2D 20272046F FIRSTSEGMENTCOMPRESSION 1 21 g 2D 20272047F SECOND PISTON SEGMENT 1 16 gl 2D 20282030F OILSCRAPERRING 1 2g 3D 20262021F PISTONPIN 1 340lg 2D 21562072F CIRCUP 2 4g 20 20252125F_ ASSEMBLYPISTON 278 g La seconda massa alterna e data da una parte della massa totale della biella La biella del motore R753IE4 una biella fratturata prodotta per forgiatura in acciaio C70 Detta Mg la massa totale della biella la sua componente da considerare alterna data da Magy M X L dove X2 la distanza dal baricentro della biella all asse della testa di biella mentre L la lunghezza della biella stessa In questo caso specifico X2 50 mm e L 163 mm Figura 2 23 La massa totale Mg della biella stata presa pari a 1015 00 g ed frutto della media aritmetica dei pesi di tre bielle dello stesso tipo co
55. sfasatura di 150 in ritardo rispetto al PMS della prima manovella Ne consegue che l equilibratura se inevitabile si ottiene ricorrendo a 2 alberi sussidiari equirotante e controrotante di velocit angolare doppia rispetto all albero motore e portanti 1 contrappesi su di un piano coassiale sfasato in ritardo di 150 rispetto al PMS della prima manovella Poich l equilibratura delle coppie del 2 ordine pu essere fatto solo a costo di una complicazione eccessiva che peraltro causerebbe un aumento del peso e una riduzione del rendimento meccanico viene normalmente evitata 2 5 Fattori squilibranti del motore R7531E4 2 5 1 Presentazione del motore Il modello R753IE4 un motore Diesel industriale 4 tempi ad iniezione diretta impianto di alimentazione common rail regolato elettronicamente e sovralimentazione con intercooler Si tratta di un motore a 3 cilindri con cilindrata totale di 2250 cc cio 750 cc per canna Il motore nella variante con l albero controrotante raggiunge la sua terza versione ed indicata dalla sigla PR753IE4 60A La P davanti alla codifica del motore indica che si tratta per il momento di un motore in fase prototipale Le altre due versioni del motore sono indicate con 56 Capitolo 2 L Equilibratura le sigle R7531E4 61A e R753IE4 63A Entrambe queste ultime due versioni del motore sono dedicate a trattori agricoli ma mentre il 61A di Figura 2 19 montato sul trattore in Messico 11
56. sostituiscono 1 valori numerici all espressione della coppia centrifuga risultante si ottiene gt M 572 93 Nm Coppie dovute alle forze centrifughe TM 3 a F Interasse cilindri 112 00 F sentrifuga Mrotante non ag O ZI 2 5 3 3 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze alterne del 1 ordine L intensita della risultante delle coppie dovute alle forze alterne del 1 ordine data dalla seguente relazione gt M V3 Matt non eq r a cos 0 210 dove con Mat non eq Si tiene conto della massa alterna che rimane non equilibrata pensando di avere concentrata su ogni perno di manovella una massa pari alla massa equilibratrice Inserendo 1 valori numerici relativi al caso specifico e considerando la situazione in cui Pintensit della coppia sia massima cio per cos 210 1 si ottiene Mi V3 Matt non eq r a 572 93 Nm Coppie dovute alle forze alterne del 1 ordine YM v3 m r o a cos 210 Matema non equilibrata Coppia massima con 6 210 _ 64 Capitolo 2 L Equilibratura Questa la coppia che dovr equilibrare l albero controrotante ed presa come dato in input per la modellazione 3D dell albero Esso dovr essere progettato in maniera tale da avere due masse eccentriche che ruotando generino una coppia pari a quella da equilibrare di 572 93 Nm 2 5 3 4 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze alterne del 2 ordine
57. studiando una versione del motore dotato di albero controrotante per poter equilibrare proprio il 100 della coppia gt Mj e quindi il sistema albero puleggia volano studiato al fine di equilibrare il 50 della gt Mj Il restante 50 sar equilibrato proprio dall albero controrotante Per poter equilibrare il 50 della Y Mj si pensa che la massa concentrata sui perni di manovella sia data dalla massa rotante totale Mrorrot sommata a meta della massa alterna totale Mrorai Questa massa la identifichiamo con il nome di massa equilibratrice e vale M Meg Mrorrot 1503 33 La May maggiore della Mroryo quindi si avr una massa rotante non equilibrata ma agendo squilibrando anche la puleggia dell albero motore e il volano sar possibile equilibrare completamente le coppie centrifughe Questa massa rotante non equilibrata vale 62 Capitolo 2 L Equilibratura M rotante non equilibrata Meg Mrorrot 744 67 Allo stesso modo sempre perch si considera la M concentrata sull asse dei perni di manovella ci sar una massa alterna non equilibrata pari a Matterna non equilibrata T Mroratt Mrorrot Meg 744 67 La tabella che segue riassume il calcolo delle masse fin qui descritto R7531E4 con albero controrotante Descrizione Valore Unit Pistone completo D 94 1178 00 9 Biella completa fratturata pesata 1015 00 9 g NOR Codice 10252125F 10292064F Massa Equilibratr
58. tutta l applicazione sul basamento con in totale 4 viti M10 Il sistema di fissaggio tra il carter e il supporto posteriore stato mantenuto identico alla soluzione a quindi con un O Ring che funge da tenuta per evitare la perdita d olio Figura 3 16 Supporto anteriore con Carter integrato per la soluzione p Soluzione y Presentando un numero inferiore di componenti in termini di costi e di praticit di montaggio la soluzione B con supporto in due pezzi pu essere ancora migliorata soprattutto dopo un attenta analisi riguardante diversi fattori dimensioni del contralbero per ottenere la coppia centrifuga desiderata diametri delle sedi dei cuscinetti sui supporti spessori minimi per la resistenza del materiale massima profondit di lavorazione sulla parete del basamento Tutte queste considerazioni verranno descritte in maniera approfondita nel Capitolo 4 dove sar trattata la progettazione particolareggiata del contralbero e del supporto riferiti alla soluzione definitiva y Per il momento ci si limita a dare una veduta d insieme di questa alternativa per mostrarne 1 vantaggi rispetto alle due soluzioni precedentemente descritte La progettazione del contralbero non slegata da quella del supporto infatti le due vanno di pari passo ovvero le modifiche che si apportano al supporto hanno delle influenze anche sulla progettazione del contralbero e viceversa L alternativa y presenta un supporto realizzato come un
59. una diminuzione di viscosit pu impedire la formazione di un film fluido sufficientemente spesso per la lubrificazione idrodinamica Quando ci si verifica le asperit pi alte possono essere separate da un film di lubrificante dello spessore dell ordine di alcune molecole Questa detta lubrificazione limite Il passaggio dalla lubrificazione idrodinamica a quella limite non affatto improvviso o brusco E probabile che inizialmente si verifichi una lubrificazione mista di tipo idrodinamico e limite e man mano che le superfici si avvicinano tra loro la lubrificazione limite diventi predominante La viscosit del lubrificante non cos Importante nel caso di lubrificazione limite come lo la sua composizione chimica Quando 1 cuscinetti devono essere impiegati a temperature estreme devono essere utilizzati lubrificanti solidi come la grafite o il bisolfuro di molibdeno perch gli oli minerali comuni non sono adeguati lubrificazioni di questo tipo vengono dette a film solido 5 3 Gli oli lubrificanti e la viscosit Nel funzionamento dei cuscinetti a strisciamento ha notevole importanza il lubrificante Esso serve a ridurre il coefficiente di attrito tra le superfici accoppiate a raffreddare il perno e il cuscinetto a limitare l usura dovuta all eventuale contatto diretto delle superfici Le molteplici caratteristiche di un olio lubrificante dipendono dalla sua natura fisico chimica La caratteristica che riveste m
60. viti Contour Plot Stress vanMises Analysis system Simple Average 1 456E 01 Bs ie 1 133E 01 3 706E 00 wm 3 090E 00 6 472E 00 gt 4 855E 00 3 237E 00 E 619E 00 1 426E 03 Max 1 456E Node 25567 Min 1 42 Node 198 Y Contour Plot Stress vonMises Analysis system Simple Average 1 456E 01 LE 294E401 1 133E 01 39 708E 00 wm 3 090E 00 6 472E 00 gt 4 855E 00 3 237E 00 E 619E 00 1 426E 03 Max 1 456E 01 Node 255676 Min 1 426E 03 Node 198943 Y z X Figura 6 26 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 2 senza il tiro delle viti Contour Plot stress vonMises Analysis system Simple Average 1 153E 01 Bs case 9 967E 00 7 686E 00 m 6 405E 00 5 124E 00 3 643E 00 2 562E 00 E 201E 00 1 600E 04 Max 1 153E 01 Node 154612 Min 1 600E 04 eee ere Za X Contour Plot stress vonMises Analysis system Simple Average 1 153E 01 Bs case 9 967E 00 7_ 656E5 00 m_6 405E 00 5 124E 00 3 843E 00 2 562E 00 E 201E 00 1 600E 04 Max 1 153E401 Node 154612 Min 1 600E 04 Node ee he lar 2 Figura 6 27 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 3 senza il tiro delle viti 206 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Contour Plot Stress vonMis Analysis syste Simple Average Contour Plot Stress vanMises Analysis system Simple Average 1 355E 01 1 355E
61. 006 DO 0 02 04 06 OF 10 uN Numero caralternsiico del cuscinetto P Figura 5 24 Dal diagramma di figura 5 23 si ricava la quantit h c e quindi noto c gioco radiale si determina per l iterazione in analisi lo spessore minimo di meato ho Proseguendo con la verifica del cuscinetto si entra nel diagramma d attrito di Figura 5 25 dove rappresentata la variabile di attrito r c f sempre in funzione del numero di Sommerfeld Si legge r c f dal diagramma e noti sia r che c si determina f coefficiente d attrito Al termine del procedimento iterativo il coefficiente d attrito f assume sia per il cuscinetto anteriore che per quello posteriore valori inferiori a 0 012 a garanzia che il tipo di lubrificazione sara in velo spesso e non in velo sottile come chiarito al paragrafo 5 4 1 174 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento SE arnan REN maamaa SUE 1 AO EN HHH WEEN OU i See E IO RAZM HH LELLO EHE pi TEORA ESRI ta CI ZATIN EHH fit MERE PEEVE TATE w Serer mEnE FATA BEE erie eerste peda BS SSS ERA i EE E HEEE n Ps ORAIS da oa U 4 Atau tert mi Ip g gt WAM Ss SES SEES CII Dee ee a aio LAS eco CEREA COR HO HHNE SS EE Tits BESURSRIZI Pebtsti 3 1 1 tb Leet E pa i RO see som ee e Bernina FEE EEE Pests men MEH Seas OS CE Hig t Det 0357 TRE TICA tt PAA LEE ole 4 PREE SS n ARAN mS Ose AIH am PAU NAL I DORMIRE PPT thai Led I TSI SII bt
62. 01 1 204E 01 1 204E 01 1 054E 01 1 054E 01 9 033E 00 9 033E 00 528E 00 7 528E 00 6 023E 00 6 023E 00 4 517E 00 4 517E 00 3 012E 00 3 012E 00 1 507E 00 1 507E 00 1 655E 03 1 655E 03 Max 1 355E 01 Max 1 355E 01 Node 255593 Node 255593 Min 1 655E 03 Min 1 655E 03 Nyde 199941 Node 199841 Lei Figura 6 29 Tensioni di von Mises sul supporto per il CASO 4 senza il tiro delle viti Le Figure che vanno dalla 6 26 alla 6 29 mostrano le tensioni di von Mises sui due cuscinetti del supporto nel caso in cui si lanci l analisi ignorando la presenza delle forze dovute al tiro delle viti Le tensioni in questi casi sono modeste e non superano mai 1 20 MPa Per questo motivo il supporto supera la verifica statica come l aveva superata in precedenza anche l albero controrotante 207 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti 208 Conclusioni La progettazione e la verifica dell applicazione albero controrotante hanno raggiunto gli obiettivi desiderati anche se per il momento 1 componenti a parte quelli commerciali esistono solo sottoforma di modelli 3D Per ragioni legate al tempo non stato possibile vedere realizzato un prototipo dell albero controrotante n quindi osservare e analizzare il suo comportamento dopo averlo montato sul motore e aver sottoposto quest ultimo a prove di durata su di un banco prova Certamente questo il principale sviluppo futuro che pu portare avant
63. 1 limiti delle viscosit ad alta e bassa temperatura per ogni gradazione di olio lubrificante indipendentemente dalle prestazioni che sono determinate dalle specifiche La gradazione SAE intesa come guida alla scelta della viscosit adatta per differenti temperature esterne Questa classificazione divide 1 lubrificanti in due categorie in funzione delle loro caratteristiche viscosimetriche e precisamente 1 Oli adatti ai climi freddi o alle stagioni invernali 2 Oli adatti ai climi caldi o alle stagioni estive I lubrificanti appartenenti alla prima categoria sono divisi in gradazioni contraddistinte dalla lettera W Winter Inverno seguita da un numero quelli della seconda categoria sono identificati solamente da un numero E intuitivo che nella prima categoria sono compresi gli oli fluidi mentre nella seconda gli oli viscosi All interno di ciascuna categoria gli oli vengono raggruppati in diverse gradazioni ciascuna delle quali contraddistinta da un numero convenzionale riunisce oli che rientrano in determinati limiti di viscosit SIAT 50000 st a TE DI i e E i ia 20000 CIO M E RN Y 5000 ie IE 2 ere 500 a oi ei PU ET MAN LTT LUA E LIT WT TTT f d 373 Figura 5 4 Variazione della viscosit cinematica in funzione della temperatura per alcuni tipi di oli 1 147 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Utilizzando oli unigradi
64. 1 moto della dentatura con quello dell albero e da due dadi esagonali per il fissaggio e il blocco della ruota dentata Nella figura che segue rappresentata la distribuzione degli ingranaggi fin qui descritta Tutte le ruote dentate hanno una dentatura elicoidale Nella Figura 3 11 invece rappresentata l applicazione albero controrotante nella soluzione a montata sul motore insieme ad altri componenti quali campana coppa dell olio pompa dell acqua e testa bilancieri Albero i controrotante o es j J E AN R motore Figura 3 12 Ingranaggi della distribuzione del motore R753IE4 con albero controrotante nella soluzione a MA ntrale 8 _84 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Assieme completo albero controrotante Figura 3 13 Motore R753IEA con albero controrotante nella soluzione a 3 2 Interventi di modifica e miglioramento del progetto esistente La soluzione a punto di partenza del progetto di questo elaborato presentava numerosi svantaggi legati soprattutto al cospicuo numero di componenti agli elevati costi di produzione e alla durata oltre che alla difficolt di assemblaggio Da qui nata l idea di progettare una nuova soluzione dell albero controrotante che adempisse al medesimo compito della soluzione a ma con costi inferiori e maggior semplicit sia costruttiva che di montaggio sul motore _85 Capi
65. 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica ALBERO CONTROROTANTE R753 sol y Pressione di contatto media Lu Fperno Forza radiale sul cuscinetto AEAEE PENGA A Area diametrale 2r L PERNO ANT PERNO POST 1710 15 1710 15 59 5 81 27 5 26 5 1636 2146 5 1 05 0 80 Fperno Diametro perno Lunghezza A diametrale Pmedia Indice di smaltimento del calore Fperno Newton N giri minuto L lunghezza perno W Fperno N L PERNO ANT Fperno 1710 15 N 2600 L 27 5 161687 PERNO POST 1710 15 N 2600 RPM 26 5 mm 167788 Tabella 3 5 Si conclude che apparentemente possibile realizzare un albero controrotante in acciaio o ghisa sferoidale montato su un supporto in alluminio evitando le boccole bronzine purch sia garantita una lubrificazione forzata abbondante con olio in pressione che funga anche da olio refrigerante per i perni dell albero e per le sedi ricavate sul supporto 101 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica 102 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y 4 1 Modellazione del contralbero in acciaio Il contralbero il supporto e tutti 1 componenti non commerciali che vanno a completare l applicazione e che sono di progetto VM sono stati modellati con 11 Software CAD CatiaV5 Un Sottware CAD o
66. 48 Perno 3 con Massa 5006 80 Maschetta 6 2477 59 ui Piano verticale V Momento d Momento statico centrifugo mm kg mm m kg mm Maschetta 2 2 178 11 68 25 44 85 84 2183 69 Maschetta Massa ry x m Manovella 1 55290 I __dI____ Maschetta 1 1491 89 Perno 1 con Massa 2883 16 Maschetta 2 817 01 Manovella 2 387A 8 Perno 2 con Massa 0 967 53 44 51 70 0 00 Maschetta 4 550 40 Manovella 3 5405 Maschetta 5 2 247 4 99 11 21 85 79 961 92 Perno 3 con Massa 2907 00 Maschetta 6 1372 06 Maschetta 3 1 456 14 43 21 01 26 47 556 14 0 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica 3 1 Stato dell arte della soluzione esistente in azienda L esigenza di avere un albero controrotante per ridurre le vibrazioni del motore R753 dovute alla coppia risultante delle forze alterne d inerzia del primo ordine ha portato la VM Motori a realizzare un primo progetto di questa applicazione gi nel 2012 Tale progetto che chiameremo soluzione a costituisce la base di partenza dalla quale si partiti per arrivare poi ad un progetto che chiameremo soluzione B molto diverso nelle soluzioni costruttive e nel numero di componenti ma ugualmente funzionale e di pi facile montaggio La soluzione a di Figura 3 1 presentava un numero molto elevato di componenti e di conseguenza un costo n
67. 66 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 130 0 Toil main gallery C Temp C 125 0 120 0 115 0 110 0 105 0 100 0 r 1000 1500 2000 2500 RPM Figura 5 18 Temperatura dell olio nella main gallery in funzione del regime Affinch l applicazione si mantenga in condizioni di funzionamento stabili e sicure bene che l incremento di temperatura dell olio tra Ingresso e uscita sia AT lt Z15 20 C A questo punto fissata la temperatura d ingresso Tin 120 C si pu stimare l incremento AT e valutare cos la viscosit dell olio sul valore medio della temperatura T pari a AT lag lint 2 Se si volesse seguire esattamente la via progettuale di Raimondi e Boyd bisognerebbe ricavare dai loro diagrammi il valore della viscosit in funzione della temperatura La viscosit varia notevolmente con la temperatura in modo non lineare ma se si utilizzano diagrammi in scale logaritmiche allora l andamento diventa lineare come mostrato in figura 5 19 In questo grafico rappresentato l andamento della viscosit assoluta al variare della temperatura per oli unigradi definiti secondo la classifica SAE L olio che lubrifica 1 cuscinetti del contralbero oggetto di questo studio un olio multigrado SAE 10W 40 e tra 1 diagrammi di Raimondi e Boyd a disposizione non stato possibile trovarne uno che rappresentasse la viscosit di quest olio al variare della tempera
68. 9 Nm grazie a delle masse aventi un raggio elevato e molto distanti tra loro In questo modo si pu alleggerire l albero sfruttando l ingombro radiale 40 949 405 Figure 4 2 Contralbero per la soluzione con quote principali 105 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y 2 Alternativa La seconda alternativa per il contralbero entra in gioco quando si considera l idea di realizzare il supporto come un unica fusione di alluminio nasce il problema di come introdurre l albero se da davanti quindi lato distribuzione e puleggia o da dietro lato volano Si ricorda che per questa applicazione la politica aziendale della VM Motori quella di ricevere il contralbero preassemblato e montarlo direttamente sul basamento del motore in linea Quindi non bisogna prendere in considerazione per esempio l ingombro della campana durante le fasi di progettazione poich il gruppo dell albero controrotante predisposto per essere fissato a una parete del basamento in direzione a lei Figure 4 3 Direzione di montaggio del gruppo albero controrotante sul basamento lavorato del motore R753IE4 perpendicolar Figur a 4 3 Il contralbero nella seconda alternativa qui descritta per forma e concept design molto simile al contralbero della prima alternativa Per ragioni di progetto riguardanti il supporto si sceglie di introdurre il contralbero all
69. E 00 6 321E 01 Max 1 684E 01 Node 49775 Min 6 321E 01 Node 105697 a Z Contour Plot stress P1 majori Analysis system simple Average 1 884E 1 1 66 E 01 1 451E 01 1 235E 01 1 0186 01 0 021E 00 5 090 E 10 3 65695E 00 1 531 E 00 5 321E 01 13 5399 MPa Max 1 85864E 11 Mode 49775 Min 6 321E 01 Node 105697 a Figura 6 9 Tensioni massime principali sul contralbero Pi che le tensioni in questo tipo di applicazione bene controllare l entit delle deformazioni l oggetto in questione dotato di due cuscinetti a strisciamento e qui anche le minime deformazioni possono influire negativamente su tutti quei parametri visti parlando di lubrificazione come ad esempio la temperatura lo spessore minimo di meato la pressione specifica ecc La Figura 6 10 mostra le rotazioni dei due due perni a strisciamento attorno all asse X Il target prefissato in VM per valori di angolo di deflessione pari a Omax 0 25 mrad 0 014 Gli angoli di deflessione dei due perni al regime di 2600 RPM sono anr 0 15625 mrad 0 008959 Oposr 0 11501mrad 0 00659 195 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Si conclude per tanto che l albero controrotante cos progettato e analizzato presenta una deformata in esercizio compatibile con 1 target prefissati Inoltre lo stato tensionale presenta tensioni molto contenute molto lontante dalla criticit
70. H q2 Q2 q Q QLIM3 s AT Sin 0 0063 87 09 1 2414 1 36E 01 4 34E 06 0 0777 6 02E 06 1 04E 05 4 42 0 0067 93 00 1 2414 1 29E 01 3 77E 06 0 0747 5 78E 06 9 56E 06 5 15 0 0067 92 53 1 2414 1 30E 01 3 82E 06 0 0749 5 80E 06 9 62E 06 5 09 Un altra verifica Importante riguarda l altezza minima di meato In questo caso il criterio di riferimento che se rispettato assicura una lubrificazione in velo spesso senza che le superfici vengano mai a toccarsi il Criterio di Kreisle Il Criterio di Kreisle afferma che lo spessore minimo ho del meato deve essere almeno uguale ma meglio se maggiore alla somma delle rugosit totali picco valle R delle superfici del cuscinetto e dei perni del contralbero Qualora la rugosit sia data in valori Ra cio rugosit media aritmetica si pu considerare con buona approssimazione questa relazione R 6 7 5 R um Il fattore di sicurezza necessario dipende dall entit dei difetti geometrici degli accoppiamenti e dalle dimensioni delle particelle di impurit contaminanti l olio lubrificante Per 1 perni del contralbero e le sedi dei perni cilindriche ricavate sul supporto di alluminio si prevede una lavorazione finale di Rettifica con rugosit media aritmetica pari a Ra 0 6 Se si Immagina di essere nella condizione pi sfavorevole e quindi che 11 coefficiente di sicurezza sia pari a 184 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 7 5 la soglia che deve superare o al pi eguaglia
71. Il valore della risultante delle coppie dovute alle forze alterne del 2 ordine dato dal prodotto della risultante delle forze alterne del 1 ordine per il fattore e cio dalla relazione gt Mg V3 Myot non eq r a cos 8 210 dove A dato dal rapporto tra il raggio di manovella e l interasse della biella e Myot non eq la massa rotante non equilibrata Inserendo i valori numerici A 0 3282 si ha gt M V3 Myot non eq TW a A 188 05 Nm Coppie dovute alle forze alterne del 2 ordine FTM B m o r 2 a cos 29 150 Mrotante non equilibrata TAA 67 Coppia massima con amp 5 Generalmente queste coppie non vengono equilibrate dato il loro piccolo valore in modulo nelle applicazioni di precisione vengono comunque bilanciate ricorrendo a due alberi ausiliari uno equirotante e l altro controrotante con velocit doppia di quella dell albero a gomiti Questa soluzione viene adottata in VM per 1 motori a 4 cilindri in linea 2 6 Procedura di equilibratura dell albero a gomiti in VM Motori Dopo che l albero ha subito 1 trattamenti termici e le lavorazioni meccaniche dedicate ultima delle quali la lappatura dei perni di banco di manovella e dei terminali dell albero se ne controlla l equilibrio dinamico con la macchina di equilibratura In VM Motori questo processo automatizzato per la maggior parte degli alberi a gomiti salvo per quelli il cui grado di squilibrio vada oltre
72. R HH alternativa all accialo forgiato o fuso per EA 3 o _ S fest componenti quali alberi bielle motore ruote dentate 22 2 Q SSSARE F dl gt fu Swe ws i F3 Se RAR RO ecc Le proprieta delle ghise ADI possono essere fatte Ss a BeeReeees variare significativamente in funzione della Tabella 4 2 7 109 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y composizione della ghisa e dei parametri del trattamento In Tabella 4 1 sono riassunti i valori di modulo elastico longitudinale o di Young E tensione di snervamento 002 tensione di rottura og e percentuale di deformazione a frattura A per alcune ghise ADI e per un acciaio 42CrMo4 sottoposto a un trattamento di tempra e rinvenimento Q amp T quenched and tempered La Tabella 4 1 tratta da un articolo scientifico dove sono confrontati tra loro 1 comportamenti a fatica di alcune tipologie di ghise tra cui le ghise sferoidali austemperate e a loro volta questi comportamenti meccanici a fatica sono paragonati con quelli dell acciaio 42CrMo4 quenched and tempered In Figura 4 7 sono rappresentate le curve di Manson Coffin per quattro tipologie di ghise ADI e per l accialo 42CrMo4 determinate con prove sperimentali le ADI 1050 mostrano le migliori performances per quanto riguarda 1l comportamento a fatica ad alto numero di cicli 2 E 02 ADI 800 ADI 1050 1 series ADI 1050 2 series ADI 1200 42CrM
73. a Detroit Diesel Corporation gruppo statunitense che si colloca ai vertici del mercato americano Nell ottobre del 2000 l azienda entra a far parte del gruppo DaimlerChrysler insieme alla casa madre Detroit Diesel Corporation Nel 2003 il pacchetto azionario risulta per il 51 propriet del Gruppo Penske statunitense ed ex titolare di Detroit Diesel Corporation e per il 49 del Gruppo DaimlerChrysler tedesco Nel Luglio 2007 General Motors acquista 1l 50 di del pacchetto azionario di VM diventando insieme a Penske Corporation l altro proprietario dell azienda Proprio in questo anno si stabilisce il record storico di 97 000 motori prodotti soprattutto con l introduzione di un _ 20 Capitolo 1 VM Motori S p A nuovo 4 cilindri per auto RA428 montato su tutti 1 veicoli del gruppo Chrysler quali Jeep Cherokee e Wrangler Dodge Nitro e Chrysler Voyager L anno 2011 rappresenta un altra tappa importante del successo VM per il lancio sul mercato di quello che oggi il fiore all occhiello dei motori auto un 3L in configurazione a V Questo motore viene montato a SUV di alta gamma e lussuose berline come il Grand Cherokee della Jeep e la nuova Lancia Thema In questo periodo cambia anche la struttura societaria con la sostituzione di Penske Corporation da parte del gruppo Fiat La nuova propriet quindi costituita da una Joint Venture paritaria al 50 fra GM e 1l gruppo Fiat Infine nel Novembre 2013 si conclusa
74. a idrodinamica sufficiente a tenere separate le superfici in moto relativo Il progetto s1 pu dividere in due parti distinte progetto dimensionale del cuscinetto e verifica termica del cuscinetto Nella prima fase si determinano sulla base dell esperienza e di relazioni empiriche le dimensioni del cuscinetto e si sceglie lolio nel caso in cui la scelta di questo non sia legata a motivi di maggior rilievo Nella seconda invece s1 verifica che la temperatura di funzionamento del cuscinetto cui questo si porta nel funzionamento a regime 178 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento in conseguenza dei parametri scelti nella prima fase sia compatibile con il sistema di refrigerazione prescelto e con il campo di utilizzazione dell olio La prima parte cio il progetto dimensionale del cuscinetto uguale per entrambi 1 metodi considerati Raimondi Boyd e DIN 31652 Nella tabella che segue sono riepilogate le dimensioni principali scelte per 1 cuscinetti cio lunghezze e diametri ma anche 1 giochi radiali diametrali e relativi e le pressioni specifiche E noto il significato di tutte le variabili tabellate a parte due Doche ildiametro dei cuscinetti ricavati sul supporto di alluminio del contralbero e si calcola come somma del diametro del perno d e del gioco diametrale g previsto dH che il diametro dei due fori di adduzione dell olio praticato sul supporto in corrispondenza al cuscinetto a
75. a velocit sufficientemente elevata da produrre la pressione necessaria a separare le superfici reagendo al carico sul cuscinetto La lubrificazione idrodinamica anche detta a film completo o di tipo fluido ed proprio il tipo di lubrificazione che si instaura tra perni e cuscinetti del contralbero in seguito al moto rotatorio relativo esistente tra 1 due organi La lubrificazione idrostatica ottenuta introducendo il lubrificante che in alcuni casi aria o acqua all interno della zona portante a una pressione sufficientemente elevata a separare le superfici con un film di lubrificante relativamente sottile Cos a differenza della lubrificazione idrodinamica questo tipo di lubrificazione non richiede 11 moto relativo delle superfici La lubrificazione idrostatica interessa quei cuscinetti in cui le velocit sono molto basse o nulle e in cui deve essere minimizzata la resistenza d attrito Per lubrificazione elastoidrodinamica s intende il fenomeno che si verifica quando un lubrificante introdotto tra due superfici che sono in contatto di rotolamento come nelle coppie di ruote dentate o nei cuscinetti a rotolamento 143 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Un area insufficiente una diminuzione di velocit della parte in movimento una diminuzione della quantit di lubrificante fornita al cuscinetto un incremento del carico o un incremento della temperatura del lubrificante che si riflette in
76. abelle che seguono mostrano le tre iterazioni effettuate per determinare l incremento di temperatura dell olio che attraversa il primo cuscinetto dell albero controrotante accettando una convergenza alla prima cifra decimale Il AT di primo tentativo stato stimato pari a 14 C mentre 11 47 finale risulta essere 6 34 C inferiore a 15 C cio al limite consentito La verifica sulla temperatura superata Un altra verifica importante riguarda l altezza minima di meato Anche in questo caso il Criterio di Trumpler rispettato poich ho 0 0108 0 00508 0 00004d 0 00746 hom dove d in questo caso il diametro del perno anteriore pari a 59 5 mm In tabella sono stati evidenziati di verde 1 parametri letti sui diagrammi di Raimondi e Boyd Iterazione 1 14 127 797 2385 6 4926 0 148 Iterazione 2 5 37 122 7 800 2366 7 0387 0 160 Iterazione 3 6 32 123 2 800 2368 6 9753 0 159 hO e ho mm e fre f Qs m3 s Hf Watt AT 0 26 0 0104 0 74 4 5 0 0061 8 23E 06 84 12 5 37 0 27 0 0108 0 73 4 8 0 0065 7 50E 06 89 73 6 32 0 27 0 0108 0 72 4 8 0 0065 7 48E 06 89 73 6 34 177 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Le tabelle che seguono mostrano invece le tre iterazioni effettuate per determinare l incremento di temperatura dell olio che attraversa il secondo cuscinetto dell albero controrotante accettando una convergenza alla prima cifra decimale Il AT di primo tentativo stato stimato pari a 16
77. accelerazione dello stantuffo in funzione dell angolo di manovella con r 42 5 mm 4 0 24 n 6000 rpm o ve da di ak TT I pla not L JI ken SENES l cas ee PREECE AE 10 z 20 Hy i a aa a l PE SETOS WESA SEA eee SEENE 0 60 120 180 240 300 360 Figura 2 4 Accelerazione stantuffo in funzione dell angolo di manovella 1 Wo Capitolo 2 L Equilibratura 2 2 Dinamica del manovellismo Le forze che agiscono sul manovellismo si suddividono in forze dovute alla pressione dei gas contenuti nel cilindro e forze d inerzia agenti sulle parti in movimento Figura 2 5 Le forze dovute alla pressione dei gas si ricavano con la relazione 2 E Pla po Essendo D il diametro dello stantuffo p la pressione dei gas all interno del cilindro che si ricava in funzione dell angolo di manovella costruendo il ciclo indicato previsto e po la pressione esistente all interno del basamento supposta uguale a quella dell ambiente esterno Le forze d inerzia che agiscono sulle parti mobili del manovellismo sono a loro volta divise in forze d inerzia agenti sulle parti dotate di moto alterno e forze d inerzia agenti sulle parti dotate di moto rotatorio cio le forze centrifughe Conoscendo le leggi che governano il moto degli organi che compongono il manovellismo possibile ricavare una volta note le loro masse le forze che su di essi agisco
78. aes sovrassatura di carbonio Nel secondo stadio SE sf amp ilug 5 puaessto l austenite sovrassatura formatasi in precedenza si s At ntunho2o trasforma in una struttura fine di austenite e carburi e n SLL E qn s BReeeRss ci determina un decremento delle propriet e 4442 meccaniche Il trattamento di austempering si articola dla Pesa da iT T i n p P r oo wo n nelle seguenti fasi O a cr F ro D Pr I Cc m gt Austenitizzazione tra gli 800 e i 900 C per 5 LA A bob dss circa 2 ore ta 2 gt Tempra in un bagno di sale NaNO e E dslsf A RFRA NaNO tra 1 330 e 1 400 C per circa 1 ora e 37 3 30 minuti gt Raffreddamento a temperatura ambiente o ee db adi I lt du T ss e P e e e e La matrice delle ghise ADI costituita da una combinazione di ferrite aciculare ed austenite satura mi D D di carbonio Questa nuova famiglia di materiali 5 5 ferrosi offre un eccezionale combinazione di EE t EE F caratteristiche meccaniche quali elevata resistenza 2 uu Di o BEB FE E oor La 5 e ese bs statica ed a fatica buona duttilit e tenacit a frattura SERBETTELELLELO z 2Seaeabee bE ES 5 n 9 p A kus ao 5 Bo _ li a li i ai Bi ft ottima resistenza all usura Queste propriet ne 5 eases 5953525256 o o Tne Siae permettono l impiego in applicazioni strutturali heavy duty e ne fanno una valida ed economica E
79. aggior importanza la viscosit Essa l unica che viene considerata nella teoria della lubrificazione Si consideri la piastra A nella Figura 5 3 in moto con velocit U su un film di lubrificante di spessore h Si immagini che il film sia composto da una serie di strati orizzontali e che la forza F provochi la deormazione o lo scorrimento di questi strati uno sull altro come se si trattasse di un mazzo di carte Si ammette per ipotesi che gli strati in contatto con la piastra in movimento abbiano velocit U e che quelli in contatto con la superficie ferma abbiano velocit nulla Gli strati intermedi hanno una velocit che dipende dalla distanza y rispetto alla superficie fissa Secondo 11 modello di comportamento viscoso newtoniano la tensione tangenziale nel fluido proporzionale al tasso di variazione della velocit rispetto a y Pertanto 144 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento OF du A dy dove u la costante di proporzionalit e definisce la viscosit assoluta anche detta viscosit i du E io dinamica La derivata at il tasso di variazione della velocita con la distanza e puo essere chiamato tasso di taglio o gradiente di velocit La viscosit u rappresenta cos una misura della resistenza interna d attrito del fluido Per la maggior parte dei fluidi lubrificanti il tasso 2 amp du U e i di taglio costante e si Cos si ottiene sy ia
80. al diminuire della viscosit dell olio all aumentare del carico e al diminuire del rapporto d Deve essere aumentato in previsione di cattivi allineamenti e ridotto in presenza di carichi rotanti con l albero La seguente formula esprime 1 valori ottimali del gioco diametrale al centro delle tolleranze g Kd XVu mm dove d diametro dell albero in metri m u velocit periferica dell albero in metri al secondo m s K coefficiente variabile tra 0 4 e 0 8 secondo il tipo di applicazione La tabella che segue mostra 1 valori scelti per 1 diametri d dei perni del contralbero e le lunghezze sia per il perno anteriore FRONT che per quello posteriore REAR Sono precisate anche la velocit angolare w funzione del regime di rotazione fissato a 2600 RPM e la velocit periferica dei perni u funzione sia di w che dei diametri D Si ricorda che la velocit periferica si calcola come FRONT REAR Lunghezza mm w rad s DID 21227 u m s 8 100 11 027 Dopo aver fissato le dimensioni dei perni si sceglie il gioco relativo agendo sul coefficiente K e controllando il valore di Y g d Per mantenersi con valori di w attorno a 0 001 cio per costruzioni molto precise si sceglie K pari a 0 8 per il cuscinetto anteriore e 0 6 per quello posteriore La tabella sottostante mostra quanto vale il gioco diametrale g il gioco radiale c e 1 giochi relativi y dei cuscinetti anteriore e posteriore dell albero c
81. all albero controrotante ruota dentata dell albero a gomiti rinvio centrale ruota oziosa e ruota dentata del contralbero Questa catena di ingranaggi costituita da 4 ruote dentate affinch il verso di rotazione dell albero controrotante sia appunto inverso a quello dell albero motore Nella configurazione gamma Y cio quella definitiva la posizione dell asse di rotazione del contralbero cambiata rispetto alla posizione che era stata definita nella soluzione alfa a Per questo motivo la ruota oziosa cio la ruota dentata che prende il moto dal rinvio centrale e lo trasferisce al contralbero cambia nel centraggio nel numero dei denti e anche nel profilo di questi rispetto a com era stata progettata nella soluzione alfa a Per il nuovo posizionamento della ruota oziosa si sono rispettati alcuni vincoli tra 1 quali la posizione dell ingranaggio di rinvio centrale il numero e il profilo dei sui denti oltre al numero dei denti della corona dentata ricavata sul contralbero che dev essere uguale al numero dei denti Z 25 che si ha sull albero a gomiti A questi vincoli se ne aggiunge un altro dato dalla forma del coperchio anteriore in antiphon del basamento tutto il sistema di ingranaggi deve dopo il montaggio trovarsi all interno del coperchio e non toccarne la superficie interna durante il funzionamento Ad inizio progetto non si era sicuri di poter 122 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante n
82. ando 2D automesh size and bias scegliendo la taglia degli elementi e le superfici da meshare Altrimenti se s1 accetta che gli elementi lontano dalle zone gi meshate possano assumere dimensioni maggiori fino a 6 7 mm si utilizza il comando 2D automesh surface deviation dove si definisce una taglia minima una taglia massima e un coefficiente di crescita per gli elementi detto growth rate che si fissa solitamente pari a 1 2 1 3 Le superfici maggiori del contralbero sono state meshate proprio in questo modo Dopo aver meshato l intero albero controrotante esso si presenta come in Figura 6 4 Non bisogna dimenticarsi di realizzare la mesh anche del foro praticato nel perno posteriore 190 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti ROK ATA e et ye A N 3 CX gt se ODE VAVANE AVA Cd aN oo Se em rs va RSA SE ta sf IS ty a Wart sg IAA S 21 Pa av ne bangs LAUT AVA iar eis array ea k i Yarat TAYa VAV AKA a TATATATA TAT A ee PEAY IT dr nae EN N Ni la ray EA P fio VAT MAR Va 7 WENEN ra BR at TA PATATA se hai CIO gt at A ITS ra ine RIES Ci TANI AZ We AZAZ a Lex Figura 6 4 Mesh 2D dell albero controrotante Terminata la mesh di superficie si procede con la mesh tridimensionale Gli elementi di questa mesh sono tetraedri e generalmente se la mesh bidimensionale chiusa bene ed stata rea
83. arte del basamento visibile in Figura 3 6 e 3 7 costituisce come anticipato l alloggiamento per una pompa idraulica solitamente montata dal cliente e viene definita presa di forza indicata in seguito con l acronimo P D F Nel motore con albero controrotante la pompa idraulica che consente la movimentazione del bucket dello skid come ad esempio quello di Figura 3 8 non montata sulla P D F ma si trova dalla parte posteriore del motore e precisamente collegata al volano La P D F nonostante Figura 3 5 Tasca semicircolare per PDF ancora grezza non venga impiegata per il montaggio della pompa non pu essere sfruttata per l albero controrotante per un motivo importante di 1 r CE J i Pet N pe i i ci I a al n UO ae a Figura 3 6 Cappellotto per presa di forza nel basamento del motore R753IE4 61A 96 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica base l idea aziendale quella di progettare l applicazione internamente nel suo centro progettazione ma di affidarne la produzione a uno o pi fornitori esterni in modo che essa giunga poi in VM preassemblata e l operatore durante l assemblaggio del motore la possa montare direttamente sul fianco del basamento solo serrando alcune viti e fasando la posizione del contralbero rispetto a quella dell albero a gomiti In questo modo il processo di montaggio rapido e non aumenta in
84. ati da inserire Ruota 1 Ruota 1 Diametro unificato per le sfere 3 5 Misura tra le sfere tolleranza min 0 007 max tolleranza max 0 02 min Ruota 2 Ruota 2 Diametro unificato per le sfere 35 Misura tra le sfere tolleranza min 0 07 max tolleranza max 0 03 min Il calcolo andato a convergenza VERO Figure 4 22 Misura tra le sfere per ingranaggio di rinvio e ruota oziosa Una volta impostati 1 giochi sullo spessore del singolo dente e il diametro delle sfere unificato il foglio di calcolo mostra la Misura tra le sfere Questa misura si prende fisicamente in questo modo si considerano delle sfere di diametro prestabilito si inseriscono 132 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y in due cavit opposte della ruota dentata e se ne misura la distanza Se il numero dei denti pari le sfere potranno essere disposte per la misura esattamente in due cavit opposte della ruota dentata altrimenti se dispari le due sfere verranno disposte in due cavit aventi la massima distanza tra loro ma non saranno mai esattamente opposte Sulla base del gioco imposto allo spessore del singolo dente nasce una tolleranza relativa alla Misura tra le sfere che permette di capire se siano rispettati 1 giochi imposti sui fianchi dei denti oppure no Per quanto riguarda 1 giochi sui fianchi dei denti si sceglie di assegnare dei valori corrispondenti ad una lavorazione di sbarbatura o rettifica per
85. aumenta gradualmente la viscosit del lubrificante rimanente che aumenta la potenza termica generata e innalza la temperatura ponendo le basi per la futura rottura gt Per gli oli leggeri Trumpler limita la massima temperatura Tmax del film a Tmas 120G Alcuni oli possono lavorare a temperature piu elevate e questo proprio il caso dell olio Q8 T 905 utilizzato per la lubrificazione dei motori serie R750 Infatti si vedr che la temperatura dell olio misurata nella main gallery prima che l olio raggiunga 1 diversi cuscinetti proprio 120 C Il Manuale d installazione motore per la serie di motori R750 alla quale afferisce anche I R753 indica che la temperatura massima dell olio misurata nella coppa non deve superare i 135 C sia in condizioni di funzionamento continuo che di lavoro intermittente L olio prima di tornare in coppa si raffredda attraversando uno scambiatore acqua olio e questo presuppone che la sua temperatura all ingresso dello scambiatore possa essere maggiore di 135 C purch una volta convogliato in coppa non superi proprio 1 135 C gt Tuttavia per mettersi in ragionevoli condizioni di sicurezza si assume che la massima temperatura Tmax del film d olio all uscita dei cuscinetti radenti sia limitata a Lia L39 G accettando quindi un incremento massimo di temperatura pari a AT 15 C Un cuscinetto portante composto spesso da un perno d acciaio rettificato che lavora su una
86. bbondante i ad anello o in modo simile 000 40 000 funzionamento in aria calma Per lavorazione accurata lubrificazione abbondante i ad anello o in modo simile 60000 700 funzionamento in ana mossa Lubrificazione abbondante ad anel 0 0 in modo W simile Funzionamento in corrente d aria che si 100 000 200 000 muove rapidamente locomotive es gt ee Per lavorazione accurata lubrificazione abbondante y forzata funzionamento in aria calma 60000 70000 Per lavorazione accurata lubrificazione forzata e i raffreddamento artificiale 150000 240000 fino a 500000 secondo l entit del raffreddamemo Tabella 3 1 Si calcolano la pressione media e l indice di smaltimento del calore per le due soluzioni dell albero controrotante studiate cio la beta e la gamma e si confrontano 1 dati con quelli dell applicazione masse controrotanti del motore R754IE4 buona applicazione di confronto in quanto costituiscono una soluzione consolidata e funzionante Si ricorda che l obiettivo di questa analisi capire se anche per l albero controrotante come per le masse controrotanti si possa montare il contralbero sul supporto senza le boccole o bronzine Per prima cosa si calcolano la pressione media p e l indice di smaltimento del calore W per le masse controrotanti del motore R754IE4 Abbiamo visto che questo gruppo costituito da due alberi su ciascuno dei quali sono montate due masse eccentriche com
87. bero controrotante del motore R753IE4 prodotto da VM qualora 1l progetto non preveda un cuscinetto esattamente uguale a uno di quelli utilizzati in azienda per uno qualsiasi degli altri motori a catalogo Si sviluppa l idea di realizzare un applicazione in cui l albero controrotante possa funzionare e muoversi direttamente sul supporto di alluminio Da questo punto di vista l esperienza aziendale gioca un ruolo determinante pich esistono altri motori realizzati da VM che presentano una soluzione simile a quella che si vuole realizzare per l albero controrotante ovvero un corpo rotante direttamente sul suo supporto senza 1 cuscinetti a strisciamento garantendo in ogni caso la lubrificazione forzata Tra 1 motori industriali VM della categoria OFF ROAD si colloca 11 motore R754IE4 un motore 4 cilindri a iniezione diretta con impianto di alimentazione Common Rail L equilibratura di un motore a 4 cilindri come il R754IE4 diversa da quella di un 3 cilindri In questo motore le uniche grandezze che creano uno squilibrio sono le forze alterne d inerzia del 2 ordine e la loro risultante F pu essere equilibrata solo con due alberi ausiliari rotanti con velocit doppia a quella dell abero a gomiti ma uno rotante nello stesso verso e uno in verso contrario a quello dell albero a gomiti Questi due alberi ausiliari saranno da qui in poi richiamati con la definizione di masse controrotanti 2 masse controrotanti p
88. bustione interna Nei motori endotermici la lubrificazione deve svolgere le seguenti importanti funzioni Creare un film d olio che impedisca il contatto diretto tra le parti accoppiate in moto relativo Raffreddare le superfici dei cuscinetti mediante un adeguato flusso d olio Asportare dai cuscinetti 1 prodotti dell usura Collaborare con le fascie elastiche alla tenuta degli stantuffi All olio affidato anche il compito di raffreddare quelle parti che non sono in contatto diretto con il fluido refrigerante come la superficie interna degli stantuffi gli ingranaggi ecc Nella quasi totalit dei motori la lubrificazione forzata Essa ha il vantaggio di assicurare ai cuscinetti una quantit d olio proporzionale alla velocit di rotazione del motore Pompa olio Si Coppa 2 Valvola riduttrice 6 Lubrificazione turbocompressore 3 Filtro 7 Raffreddamento stantuffo 4 Conduttura principale Figura 5 1 Circuito di lubrificazione 1 Nella Figura 5 1 rappresentato l impianto di lubrificazione di un motore Diesel a precamera sovralimentato mediante turbocompressore L olio contenuto in una coppa posta al di sotto del basamento viene aspirato da una pompa e inviato in pressione mediante opportune canalizzazioni ai cuscinetti dei perni di banco ai supporti dell albero a camme e agli organi 140 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento di comando della distrib
89. cKee erano ZN P centipoise per giri al minuto su psi e il valore del ascissa B nella Figura 5 9 era 30 Il corrispondente valore uN P reyn per giri al secondo su psi 0 333 10 I progettisti mantengono uN P gt 1 73 107 che corrisponde a ZN P gt 150 uN P gt 1 7 1079 154 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Si supponga che la condizione di funzionamento sia alla destra della linea BA e che accada qualcosa per esempio un aumento della temperatura del lubrificante Questo provoca una diminuzione della viscosit e di conseguenza un valore inferiore di uN P Il coefficiente di A i 5 i n Film sottile Film spesso a toasalniiai stabile 5 Gn tabile 2 r T ic SONO DI E 07 A Caratteristica del cuscinetto Figura 5 9 Variazione del coefficiente di attrito f in funzione di uN P 10 attrito diminuisce non viene pi generato cos tanto calore nel trascinamento del lubrificante e di conseguenza la sua temperatura diminuisce Pertanto la regione alla destra della linea BA detta di lubrificazione stabile o lubrificazione in velo spesso perch le perturbzioni si correggono autonomamente Alla sinistra della linea BA una diminuzione di viscosit aumenterebbe l attrito Seguirebbe un aumento di temperatura e la viscosit verrebbe ulteriormente diminuita Il risultato sarebbe un amplificazione della perturbazione iniziale Se dim
90. ccentriche aumenta di 2 5 mm con conseguente aumento del diametro del perno posteriore che passa da 81 a 83 5 mm Questa modifica molto svantaggiosa perch pensando di non modificare gli spessori del supporto ma solo 1 diametri d ingombro ci si avvicinerebbe molto al basamento e in pi diminuirebbe lo spessore minimo del supporto in alluminio in una zona dove non si possono avere spessori inferiori ai 5 mm precisamente dove il supporto si accoppia al basamento dal lato del cuscinetto posteriore Come si vede in figura lo spessore in questa zona si ridurrebbe da 5 5 mm a 4 25 mm scendendo al di sotto dei 5 mm minimi presvisti N Dopo aver modellato con CatiaV5 l albero controrotante di ghisa avente la stessa forma di quello gi modellato in acciaio ma densit diversa ovvero circa 7200 kg m s1 vede che la differenza di peso totale di circa 350 g Figura 4 8 e questo rappresenta un vantaggio perch un applicazione pi leggera montata sul motore rappresenta sempre un risultato migliore F interessante analizzare diversi fattori per confrontare la soluzione dell albero controrotante in ghisa austemperata con quella avente l albero in acciaio Se si guarda il diametro del perno posteriore si vede che le dimensioni in gioco sono elevate e questo comporta elevate velocit periferiche Avere elevate velocit periferiche pericoloso e per questo opportuno che le superfici dei corpi in moto relativo siano ben lavora
91. cchine movimento terra Fa Albero motore Alberi tr __ Sg dr sussidiari t L mai Y me 2 R Fa 2 2 gt Figura 2 16 Albero motore e albei sussidiari 5 2 3 4 Ordine di accensione La regolazione della coppia motrice e l equilibratura dinamica dell albero obbligano a seguire determinati ordini di accensione per 1 vari cilindri Poich per un motore a 4 tempi e con un dato numero di cilindri sono possibili diversi ordini di accensione necessario scegliere il pi conveniente in base a 2 condizioni principali _S1 Capitolo 2 L Equilibratura gt Ottenere la maggior uniformita di carico sui cuscinetti di banco alternando per quanto possibile le combustioni sulle diverse campate gt Assicurare nei limiti del possibile che le aspirazioni dei cilindri alimentati da un unico collettore comune non si ostacolino a vicenda causando l irregolare riempimento di alcuni di essi Per esempio per 1 motori a 4 tempi con 4 o 6 cilindri in linea numerando ordinatamente 1 cilindri nel senso longitudinale gli ordini di accensione possibili sono Per 11 4 cilindri 1 3 4 2 1 2 4 3 Per 1l 6 cilindri 1 5 3 6 2 4 1 2 4 6 5 3 1 2 3 6 5 4 1 5 4 6 2 3 Per il 4 cilindri comunemente usata la prima soluzione per quanto non presenti alcun vantaggio rispetto alla seconda per il 6 cilindri invece si hanno effetti vantaggiosi con il primo ordine di accensione sia dal punto di vista dei carichi sui
92. ce e raffreddatrice ritorna in coppa attraverso due circuiti ognuno composto da un manicotto un tubo in gomma un anello orientabile un bullone forato avvitato in un foro praticato sul basamento e degli anelli di rame fungenti da guarnizioni I circuiti di scarico sono due Figura 3 9 uno raccoglie lolio proveniente dalla parte retrostante il cuscinetto posteriore ed montato sul supporto posteriore l altro raccoglie lolio che giunge da due zone dalla parte frontale del cuscinetto posteriore e dalla parte retrostante del cuscinetto anteriore ed montato sul carter Resta da scaricare lolio che fuoriesce dalla parte frontale del cuscinetto anteriore il quale finisce direttamente all interno del coperchio anteriore in antiphon del basamento insieme all olio scaricato dagli altri ingranaggi della distribuzione TUBO IN GOMMA ANELLO ORIENTABILE MANICOTTO BULLONE FORATO Figura 3 11 Tubi di scarico olio Per quanto riguarda il moto del contralbero e il sistema di ingranaggi bene sottolineare che l albero ruota con verso opposto a quello dell albero a gomiti ma alla stessa velocit angolare Per realizzare questo tipo di movimento rotatorio il rapporto di trasmissione tra albero a gomiti e albero controrotante dev essere uguale a 1 Z 25 per entrambi e tra i due devono essere interposte altre due ruote dentate che ingranano tra loro Se ce ne fosse solo una 1 due alberi ruoterebbero nello stesso verso o
93. controrotante nella configurazione definitiva y poi fissata a questo attraverso 3 viti Nella figura il coperchio trasparente per rendere piu semplice la rappresentazione ma nella realt in antiphon di colore nero Il foro dietro il coperchio rappresenta la sede del perno anteriore del contralbero Per realizzare un modello il pi possibile vicino alla realt il modello del grezzo del supporto si ottiene partendo da un corpo pieno Figura 4 11 al quale si sottrae un altro modello 3D che rappresenta l anima in sabbia Figura 4 12 simulando quindi il vero e proprio processo di fusione Il modello del grezzo tiene conto di circa 3 mm di sovrametallo in tutte quelle superfici che saranno lavorate come ad esempio le facce di appoggio al basamento Stessa Figure 4 12 Anima in sabbia del supporto cosa vale per le sedi dei cuscinetti dove in questo caso si tiene conto del sovrametallo attraverso l anima Il diametro dell anima nella zona dei perni ridotto di circa 5 mm rispetto a quello che sar il diametro dei cuscinetti in modo tale che il grezzo cavo abbia in questa zona del sovrametallo Il materiale in eccesso sar asportato poi con una lavorazione meccanica per le superfici dei cuscinetti si prevede una rugosit media aritmetica R 0 6 um ottenibile con una lavorazione di rettifica Il modello del grezzo dovr essere realizzato tenendo conto degli angoli di sformo e dei raggi di raccordo necessari per poter
94. cuscinetti che da quello della regolarit di aspirazione 2 4 Equilibratura in un caso particolare motore a 3 clindri in linea Dopo aver esaminato il problema dal punto di vista generale si vuole ora studiare l equilibratura di un motore con una configurazione particolare cio quella del motore di produzione VM R753IF4 Si tratta di un motore Diesel industriale a 3 cilindri in linea L ordine con cui saranno trattati 1 singoli casi il seguente I forze centrifughe gt F II forze alterne del 1 ordine gt F III coppie dovute alle forze centrifughe gt M IV coppie dovute alle forze alterne del 1 ordine Mj V forze alterne del 2 ordine gt Fy VI coppie dovute alle forze alterne del 2 ordine gt Mj Per 1 motori ad 1 o pi file di cilindri se esiste l equilibrio naturale delle forze centrifughe esiste pure l equilibrio delle forze alterne del 1 ordine e non necessaria alcuna verifica eo Capitolo 2 L Equilibratura Ricordiamo inoltre che 1 punti I e III riguardano direttamente l equilibrio statico e dinamico dell albero 1 rimanenti interessano l equilibratura del motore nel suo complesso Affinch 1 cicli di lavoro si succedano ad intervalli uguali l angolo tra due manovelle consecutive deve essere _ 180 x4 9 240 quindi l albero ha le manovelle a 120 e normalmente ha 4 supporti L ordine di accensione 1 3 2 A massa equilibratrice anteri
95. cuscinetto parziale fisso sostenuto da una pellicola di lubrificante di spessore variabile Il perno ha una velocit periferica U costante Utilizzando l ipotesi formulata da Reynolds di poter trascurare la 150 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento curvatura si fissi un sistema di riferimento destrorso xyz sul cuscinetto fisso Si possono cos formulare tre ulteriore ipotesi boccola e perno hanno estensione infinita in direzione longitudinale z e quindi non c flusso di lubrificante in direzione z la pressione nel film costante in direzione y Di conseguenza la pressione dipende soltanto dalla coordinata x la velocit della generica particella di fluido nel film dipende soltanto dalle coordinate Lo 4 Tes ee x f wa 71 gt a 4 e j A F Perno s l k gt Li f f y i k N l a Boccola parziale u U E Perno rotante s KE b Portata di 74 OF dy da dz y hy lubrificante j Oe pas i dx dy dz LX dy Pudi p ily dz i a M ro A TESE Boccola parziale fissa Figura 5 7 10 Si isoli ora un elemento di lubrificante di dimensioni dx dy e dz all interno del film Figura 5 7 e si calcolino le forze che agiscono sulle facce dell elemento Come mostrato nella Figura 5 7 b le forze normali dovute alla pressione agiscono sopra la faccia destra e quella 151 Capitolo 5 Lubri
96. dal piano di riferimento 18 676 18 731 Raggio baricentrico rispetto all asse dell albero 289 37 283 59 Momento equilibrante delle masse Coppia equilibrante totale Tabella 4 1 4 2 Modellazione del contralbero in ghisa sferoidale La scelta del materiale con cui realizzare l albero controrotante non stata presa senza considerare alcuna alternativa all acciaio ma si confrontato quest ultimo con le ghise ADI ovvero ghise ottenute mediante trattamento termico di austempering di ghise sferoidali Le ghise sferoidali sono leghe di Fe C Si che assumerebbero la struttura tipica della ghisa grigia se non si intervenisse sulla massa liquida con l aggiunta di inoculanti leghe di Mg o Ce che 108 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y permettono la formazione della grafite sotto forma di 38 3 a 28588338 4 oo di dadddcda sferoidi A seguito di un trattamento di austempering TT ds a oa ee effettuato sulle ghise sferoidale si ottengono le ghise 235233 2 2522525252 ADI Austempered Ductile Iron Tale trattamento _ ss ss ssssss r o a a Ol Ae i AAAS costituito da due stadi l austenitizzazione e la tempra os e occa i l ie Oz a n AR AAN A m isoterma Nel primo stadio si verifica la Pie i m on S trasformazione dell austenite primaria in una struttura JE JRA SFRSRES lamellare ausferrite costituita da ferrite e austenite n m ei 42 395 eSyg
97. del funzionamento necessario rinunciare al valor minimo del coefficiente di attrito f a vantaggio di un maggior intervallo di condizioni di funzionamento in cui il sistema stabile Per eseguire questa verifica si calcola in base alle condizioni di funzionamento determinate ai punti precedenti il numero di giri di transizione al secondo che secondo una relazione empirica pu porsi uguale a 183 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento dove K un valore medio che pu essere assunto pari a 1 7 107 m Per avere la certezza che il funzionamento sia idrodinamico stabile si deve verificare che sia m n gt 3nr per era J m n gt ulnr per 3 lt u lt 10 con n e nr espressi in giri al secondo giri sec Di seguito si riportano 1 calcoli di verifica effettuati per il cuscinetto anteriore Sono state necessarie tre iterazioni per raggiungere la convergenza per l incremento di temperatura AT Il valore di primo tentativo stato assunto pari a 14 C uguale a quello scelto nella verifica del cuscinetto anteriore col Metodo di Raimondi e Boyd Il AT finale risulta essere 5 09 C inferiore a 15 C cio al limite consentito La verifica sulla temperatura superata Iterazione 1 14 127 797 39 2385 6 4926 1 0768 0 0118 0 71 0 6683 Iterazione 2 4 42 122 2112 800 07 2363 7 1030 0 9843 0 0129 0 68 0 6968 Iterazione 3 5 15 122 5735 799 87 2365 7 0540 0 9911 0 0128 0 68 0 6946 of PrelWat q
98. del pezzo spettano invece alla fonderia poich riguardano il dimensionamento di tutte quelle attrezzature come la materozza il modello l anima e la staffa Quindi anche per il supporto la modellazione del pezzo finito e del grezzo stata interamente eseguita in VM sempre grazie al software CAD CatiaV5 Per prima cosa si progettato il supporto nel suo stadio finale con le dimensioni nominali e le finiture superficiali previste post lavorazioni meccaniche In Figura 4 9 sono mostrate due viste del supporto lavorato Nella vista di destra le due superfici pi chiare rappresentano le facce del supporto che vanno ad accoppiarsi al basamento Un altra superficie del supporto lavorata quella anteriore dove sono praticati 1 fori per il fissaggio del coperchio anteriore del basamento Questo coperchio copre tutta la distribuzione degli ingranaggi impedisce che venga perso Polio lubrificante e lo convoglia nuovamente in coppa Ad inizio progetto si deciso per non gravare sul costo totale del motore di non modificare l attuale coperchio andando cos a praticare sul supporto dei fori che si accoppieranno a quelli gi presenti sul coperchio per il fissaggio di quest ultimo In Figura 4 10 mostrata la parte del coperchio che va ad Figure 4 10 Particolare dei fori di fissaggio del coperchio al supporto del contralbero appoggiarsi sul supporto del contralbero dove sar 115 Capitolo 4 Progetto dell albero
99. dente coordinata X si ha il momento statico relativo al piano PIANO VERTICALE PIANO ORIZZONTALE Figura 2 31 Piano orizzontale e piano verticale per il calcolo dei momenti statico e centrifugo T Capitolo 2 L Equilibratura orizzontale mentre moltiplicando le masse per la corrispondente coordinata Y si ha il momento statico relativo al piano verticale Il passaggio successivo consiste nel moltiplicare 1 prodotti m X e m Y per la distanza del baricentro dal piano di riferimento ottenendo cos 1 momenti centrifughi Sommando tutti 1 momenti centrifughi tenendo sempre separate le grandezze rispetto ai due piani orizzontale e verticale si ottengono 1 due momenti centrifughi totali Nella tabella sottostante riassunto il calcolo dei momenti statici e centrifughi rispetto ai due piani menzionati La massa delle mazzette da applicare al primo e terzo perno di manovella per l equilibratura di 427 4 g R753 IE4 Equilibratura motore R753IE4 Calcolo mazzette Massa equilibratrice kg Massa perno Piano orizzontale H Momento Momento Maschetta Massa ry d statico centrifugo kg mm kg mm mm kg mm Manovella 1 5 329 Maschetta 1 2 184 21 40 138 00 2953 64 Perno 1 con Massa 0 967 46 34 44 83 112 00 5020 88 Manovella 2 adi E G Maschetta 3 1 456 0 00 0 00 26 47 Perno 2 con Massa 0 967 0 00 0 00 0 00 Maschetta 4 1 448 0 00 000 26 47 Manovella 3 5405 Maschetta 5 2413
100. di entrando in una serie di diagrammi determinati da Raimondi e Boyd per diversi valori del rapporto l d dove le grandezze sono diagrammate in funzione del numero di Sommerfeld Nei diagrammi di Raimondi e Boyd sono presenti solamente quattro curve per l d per cui necessario utilizzare la seguente formula di interpolazone 1 1 1 a 1 n 1 1 5 1 _ 1 svcd d d a d d GRUD eA re e dove y il parametro desiderato per qualsivoglia valore di l d maggiore di 1 4 e Y Vi V1 2 e Y1 4 sono i valori di quello stesso parametro per l d 1 1 2 e 1 4 rispettivamente 172 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento LO qn III rene PEFFE ri 3 0 09 i a 08 du E IL i o ver ne a 3 LL LL i SIS Stet u E 07 B i t S a uan ee Ae SESS SS lhe i i t D ne me 03 ta E a te a _ _ lt s E i Ma gt w x ne WIRE 2 at Of l cit Se ta A t pro i tri 04 5 a TN i iS i i i wW i z l 4 on z i H n a OT re rret_ mb Nemesis erep ra 05 o i ee N mi on i 5 a bela LI ELER G E FH CELLEN HHH r 4 i a 0 4 _ ____ T_ a ss san el i P i nm U 6 de PETITA ETEEN yl ort 5 Hit Fi U t i f DO i i n ina A don th gt pery 3 Pret 4 PI a 0 gt PE os et l e i re
101. di tutte le zone raccordate in IRA DK ma AAS rR NET SAR ASTRI corrispondenza alle sedi dei cuscinetti cp STAI x i A SEI EH EER ZK Successivamente si passa alla mesh E SLA Maan abe TIBET LVN degli smussi del manicotto per lo ETS gt Al A LELE SAANIKI i ip CER ER HERE ERER PODAXZA scarico dell olio e poi si meshano tutte TE ISEE OV bab i gt CETRA 7 de ex Se A atts Ati va AVATA A le altre superfici della pelle pi estese Figura 6 12 Mesh a o vicino al cuscinetto aventi rag gi di curvatura mag giori 197 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Le Figure 6 12 e 6 13 mostrano il risultato della mesh della pelle esterna nelle zone piu critiche e delicate AAA Le superfici che rappresentano le at o Way eee iJ wd Nis aT T Ma LA y A AF be amp PE a PESCA af F madreviti fanno sempre parte della pelle Ta TA E7 yO KY Sy is a 5 fe PL Weal i esterna e anch esse sono state meshate i PA 4 a i oF LI IR VG Gli elementi usati per tutte le mesh sono Fav AN ANSE A Var ATATEN ANENE VAVAVAVAVAY AZ LA 7 A AVA elementi triangolari Quando possibile Ke Z af NP AALS AAALAC A ANITINA Mraz IM NOELENN AVATI VAVAVAVAVA Se AAN o at Yy 2 TAVA Tal ES Ya aa Fae ENF LMA AS maa Tat fx per ottenere una mesh geometricame
102. dinamico dell albero Figura 2 11 albero di motore a 2 cilindri 5 In pratica gli alberi aventi un numero di manovelle maggiore di due sono dinamicamente equilibrati quando gi essendo equilibrati staticamente ammettono un piano di simmetria perpendicolare all asse di rotazione rispetto al quale le manovelle risultino simmetriche in numero forma e posizione Tutti gli altri alberi non sono per loro natura equilibrati ma lo possono diventare con l aggiunta di contrappesi Quindi facile dedurre che l equilibrio completo degli alberi aventi un numero di manovelle dispari degli alberi dei motori a due tempi e di quelli dei motori monocilindrici e bicilindrici raggiungibile solo esclusivamente con l aggiunta di contrappesi In questa tesi poich si affronta il problema dell equilibramento di un motore a 3 cilindri in base a quanto detto l equilibrio completo dell albero motore e del gruppo cilindro imbiellaggio sar raggiungibile solo con l aggiunta di opportune masse in posizioni ben specifiche Si pu dunque affermare che l equilibrio delle masse rotanti pu essere ottenuto con la scelta opportuna della disposizione delle manovelle ricordando che deve essere rispettata la condizione dell uniforme ripartizione dei cicli di lavoro in ogni giro e quando quella non sufficiente con l aggiunta di contrappesi in entit e posizione opportuna La verifica dell equilibratura dinamica dell albero pu esse
103. due cuscinetti del contralbero immaginando di fotografarlo all istante t in un piano passante per l asse dell albero Figura 3 28 Nel caso dell albero controrotante il carico da considerare la coppia generata dalle forze centrifughe delle masse eccentriche dell albero in movimento Figura 3 28 che deve eguagliare il valore calcolato al paragrafo 2 5 3 3 cio la coppia generata dalle masse alterne non equilibrate computata pari a 572 9 Nm La Figura 3 29 mostra come sia stato schematizzato l albero controrotante per il calcolo delle reazioni vincolari sugli appoggi M Fl F2 l Figura 3 29 Dall equilibrio dei momenti sull appoggio di sinistra si ricava M F l 0 Il valore della reazione vincolare dipende dalla distanza tra 1 punti medi dei due cuscinetti su cui ruota il contralbero Per entrambe le soluzioni B e y questa distanza vale 1 335 mm e con questa misura possibile valutare F gt con l espressione F 1710 15 N Per _ 99 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica l equilibrio delle forze nell appoggio di destra si ha che F F per entrambe le configurazioni beta e gamma Note le forze sugli appoggi e quindi sui cuscinetti si calcolano anche per l albero controrotante nelle soluzioni beta e gamma la pressione media p e l indice W La Tabella 3 4 mostra il calcolo di p e di W per la soluzione beta Per calcolare la pressione media n
104. e ammettono un piano di simmetria perpendicolare all asse di rotazione rispetto al quale le A LE In Figura 2 24 rappresentato l albero a gomiti del motore R754EU6 un motore industriale 4 manovelle risultino simmetriche in numero forma e posizione i o a in l E ih I IU a vee Figura 2 24 Albero a gomiti del motore 4 cilindri R754EU6 cilindri di produzione VM La linea rossa in figura rappresenta la traccia del piano ortogonale all asse di rotazione rispetto al quale le manovelle sono simmetriche Si sta considerando l albero nudo cio senza tener conto di cuscinetti bielle e pistoni che saranno montati successivamente nella fase di assemblaggio del motore In Figura 2 25 mostrato l albero a gomiti di un altro motore industriale di produzione VM ma in questo caso si tratta di un albero per motore 6 cilindri P R756EUS Anche in questo caso si individua un piano ortogonale all asse di rotazione rispetto al quale le manovelle sono simmetriche la cui linea rossa di figura ne rappresenta la traccia 66 Capitolo 2 L Equilibratura al UM aL Tal Figura 2 25 Albero a gomiti del motore 6 cilindri R756EUS Per questi alberi l equilibratura avviene senza montare alcuna massa sui perni di manovella ma semplicemente mettendo in rotazione l albero sulla macchina equilibratrice Quando si riporta il baricentro di questi alberi s
105. e E molto importante fare una precisazione legata a questa schermata relativa resistenza non si tratta come potrebbe sembrare di un calcolo avente come scopo la verifica dei denti a resistenza ma solo una via per controllare che il primo dimensionamento effettuato nella schermata relativa alla Geometria sia sensato e funzionale L albero controrotante un corpo libero di muoversi attorno al suo asse e l unica potenza da vincere per mantenerlo in rotazione legata al lavoro d attrito sui cuscinetti Per questo motivo la potenza assorbita dal contralbero che s1 ripartisce come potenza trasmessa tra le ruote dentate della catena di ingranaggi molto bassa Con dei denti come quelli che nascono da questo dimensionamento la verifica strutturale automaticamente superata proprio per le basse potenze in gioco Quindi le schermate relative alla resistenza servono per capire se gli sforzi siano ripartiti all incirca in maniera equa tra le due ruote dentate di ciascuna coppia ingranante La potenza nei due casi stata assunta pari a 1 4 kW valore plausibile e verosimile per questa applicazione 131 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Misura tra le sfere In questa schermata viene effettuato il calcolo dei valori delle misure tra le sfere da effettuare sulle ruote per una verifica dimensionale Questo uno dei sistemi di misura pi adottati assieme alla Misura corda
106. e apparivano dopo l importazione del modello ma si avranno dei benefici nella qualit e nella distribuzione degli elementi della mesh 2D Figura 6 1 Superfici del contralbero dopo il comando toggle edge Dopo aver ripulito la geometria si potrebbe procedere realizzando subito una mesh tridimensionale con elementri tetraedrici Tuttavia per avere un maggior controllo della mesh si procede prima meshando tutte le superfici con elementi 2D e poi facendo la mesh 3D Quindi per prima cosa si realizza la mesh 2D di tutte quelle zone delicate come smussi raccordi e fori scegliendo una dimensione piccola per gli elementi triangolari ad esempio 2 3 mm In Figura 6 2 si vede come la mesh sia pi fina in vicinanza ai fori di equilibratura della massa controrotante anteriore dell albero e nello spallamento del perno anteriore In Figura 6 3 mostrata la mesh in vicinanza ai fori di equilibratura della massa controrotante 189 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti posteriore Anche in questo caso si vede che la mesh pi fina in prossimit dei fori e pi rada via via che ci si distanzia da essi Figura 6 2 Figura A questo punto si procede meshando le superfici cilindriche come 1 perni a strisciamento e tutte le altre superfici che costituiscono il modello muovendosi dalle meno estese a quelle pi estese Laddove si vuole che gli elementi abbiano tutti la stessa dimensione si utilizza il com
107. e che costituisce 1l cuscinetto produce una distribuzione di pressione nel lubrificante il cuscinetto reagisce al carico cambiando la sua eccentricit e diminuendo quindi lo spessore minimo di meato fino a quando il carico viene equilibrato Le superfici adiacenti in moto tra perno e boccola non sono lisce ma sono composte da una serie di asperit che s1 susseguono separate da una pellicola di lubrificante E gi stato sottolineato che nella fase di avviamento di un cuscinetto sotto carico si verifica il contatto metallo metallo e le asperit superficiali vengono rotte diventando particelle libere di muoversi e di circolare insieme all olio A meno che non venga utilizzato un filtro queste particelle si accumulano Tali particelle devono essere libere di muoversi nella sezione che contiene il minimo spessore di lubrificante senza impigliarsi provocando ulteriore danneggiamento e nuove particelle di usura gt Trumpler stabilisce che per essere in condizioni di sicurezza da questo punto di vista lo spessore minimo di meato deve rispettare la seguente condizione ho 0 00508 0 00004d mm Dove d il diametro del perno in mm 162 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Per quanto riguarda la temperatura bene precisare che un lubrificante essendo una miscela di idrocarburi reagisce a un aumento di temperatura con la vaporizzazione dei componenti pi leggeri lasciando 1 pi pesanti Questo fenomeno
108. e forze alterne del 1 e 2 ordine Di seguito riassunta in tabella la condizione di equilibrio o squilibrio con relative cause dei sel sistemi di forze elencati qui sopra Se composti 1 loro vettori formano una Forze centrifughe EQUILIBRATE poligonale chiusa Coppie dovute alle forze L albero non ammette un piano di SQUILIBRATE I centrifughe simmetria normale al suo asse Forze alterne d inerzia del Automaticamente equilibrate se lo sono le EQUILIBRATE 1 ordine forze centrifughe Coppie dovute alle forze Sono squilibrate perch lo sono le coppie SQUILIBRATE alterne del 1 ordine dovute alle forze centrifughe Forze alterne d inerzia del Sono equilibrate grazie alla disposizione EQUILIBRATE 2 ordine delle manovelle Sono squilibrate perch lo sono le coppie Coppie dovute alle forze dovute alle forze centrifughe l ampiezza SQUILIBRATE l l alterne del 2 ordine di queste coppie deve essere ridotta del fattore A rispetto a quelle del 1 ordine 2 5 3 1 Masse alterne e masse rotanti del motore R753IE4 Prima di calcolare gli squilibri sul motore bene analizzare le masse che entrano in gioco durante il funzionamento A questo punto dopo che nel paragrafo 2 2 2 gi stata data una definizione teorica di quali siano le masse rotanti e quali quelle alterne del motore si vanno a valutare 1 pesi di queste masse per il motore in oggetto Masse alterne I corpi che si muovono di moto alterno sono 1l
109. e il tipo di analisi lineare elastica non lineare ecc Nella suite di HyperWorks il software di pre processing prende il nome HyperMesh Il Solutore invece quel codice di calcolo che cerca la soluzione approssimata del problema descritto da equazioni differenziali alle derivate parziali riducendo queste ultime ad un sistema di equazioni algebriche In VM 1 Solver pi usati sono NASTRAN e RADIOSS In questa sede stato utilizzato come solutore RADIOSS Infine vi 1l software per il post processing cio quello con cui si visualizzano 1 risultati delle analisi agli elementi finiti ad esempio in termini di tensioni e spostamenti Il Post processor usato di default da HyperWorks prende 11 nome di HyperView HyperView combina funzioni avanzate di animazione a quelle di gestione di grafici e di filmati digitali permettendo una completa analisi dei risultati numerici e la loro comparazione con quelli sperimentali 4 6 Calcolo FEM dell albero controrotante Il primo componente che stato sottoposto all analisi FEM stato l albero controrotante Il contralbero funziona ruotando alla stessa velocit dell albero motore ricevendo il moto da un sistema di ingranaggi che parte proprio dall ingranaggio di comando della distribuzione montato proprio sull albero motore La sola funzione del contralbero quella di generare una coppia equilibratrice riducendo le vibrazioni del motore esso non caricato con un momento torcento poich
110. e in Figura 3 22 112 112 Figura 3 22 Albero ausiliario con masse due controrotanti del motore R754IE4 _94 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Ogni albero supportato da 3 appoggi che rappresentano 1 cuscinetti del sistema Le quote in figura si riferiscono proprio alle distanze tra 1 tre appoggi 112 mm e alle distanza tra 1 baricentri delle masse controrotanti e l appoggio centrale 58 mm Il diametro dell albero e quindi dei perni dei cuscinetti 24 mm mentre la lunghezza dei tre cuscinetti 21 mm Ciascun albero ruotando non genera una coppia poich le masse controrotanti sono rivolte dalla stesse parte ma mentre l albero ausiliario in movimento si generano due forze centrifughe pari a P m wr P la forza centrifuga della massa controrotante all istante t con Mme massa eccentrica r raggio baricentrico rispetto all asse di rotazione e w quadrato della velocit angolare corrispondente a 6000 RPM Nel motore a 4 cilindri R754IE4 le masse controrotanti ruotano a una velocit che doppia di quella dell albero motore che a regime massimo raggiunge 1 3000 RPM Scattando un istantanea al sistema durante il suo funzionamento su un piano contenente l asse di rotazione dell albero ausiliario la struttura pu essere schematizzata come un telaio piano Figura 3 23 formato da una trave su tre appoggi sulla quale insistono due forze di intensit P cio propri
111. e normative meno restringenti Le principali caratteristiche di questi motori sono le stesse gi viste per 1 motori ON ROAD quali basamento a tunnel canne cilindro riportate punterie idrauliche distribuzione ad ingranaggi e possibilit di applicare prese di forza per pompe idrauliche sia singole che in tandem Proprio di questa gamma fa parte il motore che viene trattato in questo elaborato e visibile in Fig 6 attualmente disponibile solamente in versione OFF ROAD Si tratta del modello R 753 IE4 un motore diesel 4 tempi a iniezione diretta impianto di alimentazione Common Rail regolato elettronicamente con turbocompressore ed aftercooler per un ottimizzazione delle prestazioni e dei consumi La cilindrata totale di 2 228 1 con Figura 1 6 Motore R 755 IE4 15 una potenza massima di 50 kW circa 67 cavalli a 2600 RPM Utilizzato nelle pi severe condizioni climatiche questo motore raffreddato ad acqua unisce affidabilit semplicit di utilizzo e di manutenzione a ridotti consumi e contenuti livelli di rumore caratteristiche apprezzate dagli utilizzatori finali che trovano facilit nell installazione di questo propulsore anche grazie alle ridotte dimensioni L obiettivo di VM produrre una versione di questo motore con vibrazioni ridotte in maniera consistente in modo tale che possa essere installato sulla macchina da movimento terra SSL Skid Steer Loader del cliente americano New Holland Construction Completan
112. e per il contralbero in ghisa il costo dell impianto e delle attrezzature per realizzare il contralbero attraverso una colata in conchiglia di 60 000 Ai 60 000 andrebbero aggiunti dei costi legati alla sperimentazione e ai prototipi costi dai quali VM non potrebbe prescindere dal momento che non esiste in azienda memoria storica di un componente simile all albero controrotante alberi a gomiti o alberi a camme per esempio realizzato in ghisa Tuttavia il costo totale per il tooling e per la ricerca sperimentazione non supererebbe quello per la soluzione in acciaio anche perch il costo al pezzo del solo contralbero 55 nel caso della ghisa 65 nel caso dell acciaio La scelta dell albero in ghisa quindi allungherebbe 1 tempi di progetto per via degli studi e della ricerca necessari a monte col rischio di non rispettare 1 tempi di consegna ai clienti Anche se per costi e peso il contralbero in ghisa austemperata costituisce un alternativa migliore l azienda ha deciso di portare avanti il progetto con il contralbero in acciaio perch 1 volumi produttivi e le capacit del fornitore sono 1 fattori che governano le principali scelte progettuali 113 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y 4 3 Modellazione del supporto Durante la progettazione del contralbero si condotta anche la modellazione del relativo supporto Si sta trattando la modellazione del gruppo
113. e possibili interventi di Modifica eeeeeeeeeeeeeeeeeeeenenees 73 3 1 Stato dell arte della soluzione esistente in azienda 73 3 1 1 Posizione dell albero controrotante 74 Sule IDESerizione della soluzione Wigan 79 3 2 Interventi di modifica e miglioramento del progetto esistente 85 S221 Ruotadentata sulcontralberos ria 86 3 2 2 Supporto contralbero e scelta dei materiall 87 3 2 3 Studio dei cuscinetti eliminazione delle boccole 90 3 2 3 1 Calcolo dei perni a strisciamento 93 Capiiolo 4 acacia 103 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y 103 4 1 Modellazione del contralbero in acciaio 103 4 2 Modellazione del contralbero in ghisa sferoidale 108 Ad Modellazione del sUpporioass tl E E a 114 4 4 Modellazione del circuito di scarico olo 117 4 5 Posizionamento e progetto degli ingranaggi 122 4 5 1 Foglio di calcolo per ingranaggi cilindrici ad assi paralleli VM Motori 124 4 5 2 Calcolo delle dentature con KISSsoft a 134 Capilolo Sasnal r 139 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento
114. ean E ERI REI See edovcertricongrito tester igiene tette Ar be Or mmm aon a I pw et are ae Eeer ee fi eee ee eeeestcr A A e Oo athlon Met ERE APR RM Se ri kuar n dy Le tua a gt BE i s E E E E E MER au CER OS te uven EER RE DR CRECE A RES TRNAS ay WS e ed PET BBR SSeS ter e et Tetti atri oer in R i 30 n SERRARA Sas faitlli nia Gee ERI E 3 seme ENEA calmer A ed Lit CLE LLL CLIT LL LLL Lt tt LIA damman SERATE EEEE ERE i J ff ETER MEERN anne HEHE CRATERI E I REST PS Ae MEER bi pa aay LGtticinaa LUG MORA FERN 27 AUN NOS ABD THE map awaso fr SIAE pu pp SEZISERE Line AA ALTRE Via PIE a EN cal Gee eens mo cee Ar Aone was hier eas PR et 2 MPG Te ete EE mu TENE AI a sa ff oe woe IR Poca et a ee ONS aS oD Ra PS NE AAA EEE a Leaf lt 4 e sat r me Binz PESCE Spe pores 7 NESE Oe 5 ER mak a5 es TUN Am TIT I TEATRO COPIA IRA NERI HAHA T HERRIE ru ais ea a F NN eet LIL REST EE EMM ERE TH ioni Renzi Tcza fe homer ae ie aes oe pee ee A pai pn 9 0 4 ritenta gt bes e eevee mest pts ce SEN AO SH SS 3 n Aerei zii Li Lu sassi ee AA E EE lias memes sei EEEREN EEEE Ron e a Nae SUE el i ear are soul oat a Si omens A hls mae fs Gk 852 SAGE ae Oe BM Od om Alex bal pean ee Somers oe F 4a a mini LAI ERER Pats EEP AS TS TESE aA A paaie ft itm AA A oe a EE E EEE h WA a FS eaten immed MIEI NINNI meermntcrinaiearite GASRTET MR Ba BERS SRD TE Wesel atiista TERE Bei it ANIM Sema RESTI EHH mannin
115. ecessario conoscere il diametro dei perni Il diametro dei perni e la loro lunghezza derivano dalla modellazione del contralbero con il software CAD Catia V5 che stata eseguita in parallelo alla modellazione del supporto nelle due alternative B e y Per ora ci si limita ad assumere per buoni 1 diametri e le lunghezze dei perni che compaiono in tabella mentre nel Capitolo 4 verr affrontata la modellazione dell albero vera e propria ALBERO CONTROROTANTE R753 sol B Pressione di contatto media Si Fperno Forza radiale sul cuscinetto PINS GIS mE peno A Area diametrale 2r L PERNO ANT PERNO POST Fperno 1710 15 1710 15 Diametro perno 59 5 40 Lunghezza 26 25 5 A diametrale 1547 1020 Pmedia 1 11 1 68 Indice di smaltimento del calore Fperno Newton W Fperno N L N giri minuto L lunghezza perno PERNO ANT PERNO POST 1710 15 1710 15 2600 2600 26 25 5 171015 174368 Tabella 3 4 Sia dal punto di vista della pressione media di contatto sia per quanto riguarda l indice di smaltimento del calore la situazione relativa all albero controrotante nella soluzione beta B meno critica di quella relativa alle masse controrotanti del motore R753IE4 rappresentata nelle Tabelle 3 2 e 3 3 La seguente Tabella 3 5 mostra il calcolo di p e di W per la soluzione gamma y e si vede che anche in questo caso la situazione meno critica rispetto a quella riguardante le masse controrotanti 100 Capitolo
116. ector per usare il linguaggio del software definisce una condizione di carico statico dovuta a un campo di forze centrifughe Il comando RFORCE permette di definire un punto attorno al quale avverrebbe la rotazione fittizia del corpo che sar uno dei due nodi al centro dei perni e di indicare l intensit del vettore rotazione nelle sue tre componenti R1 R2 ed R3 Le componenti in X e Y cio RI ed R2 sono lasciate pari a zero mentre la componente in direzione Z cio R3 fissata pari a 43 333 Questo valore corrisponde al regime di rotazione di 2600 RPM ma in un altra unit di misura cio 1 giri al secondo giri sec een A RI p2 P3 RFORCE 2 136971 of 1 000f 0 000 0 000 43 333 RACC 0 000 User Comments ia Hide In Menu Export Figura 6 6 Definizione del carico RFORCE La Figura 6 6 mostra una finestra del software dove si definiscono le propriet del carico RFORCE Alla voce G si deve indicare lid number del nodo al quale applicato il vettore rotazione Questo vettore orientato in direzione Z cio la direzione dell asse del contralbero A un coefficiente moltiplicativo per il vettore R Avendo definito R3 43 333 cio proprio uguale al valore esatto A si fissa uguale a 1 Dopo di ch prima di poter avviare l analisi bisogna completare il modello con tutte le informazioni necessarie Si definisce il materiale riempiendo 1 campi relativi al modulo di Young al modulo di elasticit tangenziale
117. edio la pressione eccede 15 MPa considerati come valore massimo per accoppiamenti di questo tipo La Tabella 3 3 mostra invece il calcolo dell indice di smaltimento del calore S1 vede che per 1 cuscinetti alle estremit sono richiesti una lubrificazione forzata e un raffreddamento artificiale mentre l indice di smaltimento del calore per il cuscinetto centrale molto elevato e supera il valore massimo ammesso dalla Tabella 3 1 pari a 500000 Nonostante questo l applicazione masse controrotanti funziona garantendo anche per il cuscinetto centrale una lubrificazione forzata con olio lubrificante in pressione Indice di smaltimento del calore Fperno Newton N giri minuto L lunghezza perno W Fperno N L ESTREMITA CENTRALE 2847 5 6000 21 813571 710 25 6000 21 202929 Tabella 3 3 N RPM mm Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Lo stesso tipo di calcolo si effettua anche per le soluzioni beta e gamma confrontando 1 valori con quelli appena trovati cercando di capire se anche per l albero controrotante sia possibile eliminare le boccole ed avere un albero di acciaio o di ghisa che si muove direttamente sul supporto di alluminio grazie alla formazione di un meato d olio di spessore variabile nel moto rotatorio relativo del perno rispetto al cuscinetto Per poter fare questo necessario calcolare come gi fatto per le masse controrotanti le reazioni vincolari sui
118. eguenti espressioni TT 1 e q2 im Dan 2 3 qu 1 204 0 368 1 046 5 1 942 Una volta determinata la portata totale come somma delle due parziali Q e Q bisogna determinare l incremento di temperatura effettivo AT che pur sempre funzione di quello stimato Per fare ci si procede allo stesso modo di come si proceduto al paragrafo 5 5 2 relativo al metodo di Raimondi e Boyd in quanto tutto si basa sul principio fisico di uguaglianza tra la potenza termica dissipata per attrito e l incremento di temperatura dell olio Allora si trova che AT iam O Cp A questo punto si confronta il valore assunto inizialmente per l incremento della temperatura di funzionamento dell olio con quella calcolata Se 1 due valori sono identici a meno dell errore considerato accettabile il procedimento di verifica termica terminato altrimenti si itera il calcolo modificando assunzione della temperatura sempre nel campo ammissibile fino a convergenza Qualora non sia possibile rispettare 1 campi ammissibili necessario modificare il dimensionamento del cuscinetto la scelta dell olo o il sistema di alimentazione del lubrificante Come passo finale della verifica s1 deve controllare che le condizioni di funzionamento siano lontane dal punto di transizione tra lubrificazione idrodinamica e lubrificazione mista Infatti per poter usufruire vantaggiosamente della caratteristica di stabilit intrinseca
119. ei perni a strisciamento prevede quattro calcoli 11 e Ilrispetto del rapporto di forma l d dove l rappresenta la lunghezza assiale del perno e d il suo diametro Solitamente bene che 0 2 lt l d lt 1 e La pressione di contatto media p definita come il rapporto tra carico radiale ed area diametrale deve essere normalmente inferiore al valore ammissibile di 2 MPa a volte si accettano valori fino a 5 MPa e L indice di smaltimento di calore W definito come PN a deve soddisfare la Tabella 3 1 e Ia resistenza meccanica deve essere soddisfatta Se il perno intermedio calcolato a resistenza come una qualunque parte dell albero a flessione ed a torsione Se il perno di estremit nullo il momento torcente sul perno mentre il momento flettente si estingue in mezzeria del perno Il momento flettente non per nullo dove il perno termina raccordandosi all albero Se la lunghezza del perno il momento in tale zona vale P 1 2 e la tensione flessionale deve anche tenere conto delle concentrazioni di tensione dovute alla variazione del diametro Figura 3 21 Perno a strisciamento 11 _93 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica We Pail Tipo di lubrificazione PIN i ar no ae Per lavorazione grossolana lubrificazione limitata 4 prasso con ingrassatore 0 stoppino 15000 20 000 funzionamento in aria calma Per lavorazione accurata lubrificazione a
120. el ital gt Ta PITTI _ omm e rot as ee ae eee a rT et 0 7 ar L x I VI ZITTI Ch 2 f 02 ji sit LI Sar aan TIET I Tra f i m OS S S WE i amp A 0 1 f rs i n en ma i 09 i f ni 5 ri TA 9 m Oan m SEES ee SS ees A O 0 0 0 0 02 004 006 0 08 01 02 04 06 OF 10 2 4 6 8 10 r uA Numero caratteristico del cuscinetto 5 Figura 5 23 Diagramma del parametro di altezza minimo e del rapporto di eccentricita 8 Nella Figura 5 23 il parametro di altezza minima di meato h c e il rapporto di eccentricit e c sono diagrammati in funzione del numero di Somerfeld S con curve relative a diversi valori del rapporto l d Se il perno centrato sul cuscinetto e 0 e hy c corrispondendo a un carico molto leggero nullo Dato che e 0 ed e 0 Quando il carico viene incrementato il perno si sposta verso il basso e la posizione limite viene raggiunta quando h 0 ed e c cio quando il perno tocca la bronzina In questa condizione il rapporto di eccentricit unitario Dal momento che hy c e dividendo entrambi i membri per c si ha h 1 e C Condizioni ottimali di progetto sono a volte quelle di massimo carico cio una propriet relativa alla capacit portante del cuscinetto e talvolta di minime perdite parassite di potenza o di minimo coefficiente d attrito Nella Figura 5 23 sono disegnate con linee tratteggiate due curve
121. ella configurazione definitiva y garantire il rispetto di questo vincolo ma dopo un attento posizionamento e progetto della ruota oziosa si riusciti ad evitare il contatto Il posizionamento ha previsto una fase iniziale di studio della circonferenza primitiva della ruota oziosa sulla base delle circonferenze primitive di rinvio centrale e albero controrotante Da qui in poi si indicheranno con il pedice ca le grandezze riferite al contralbero con il pedice ro quelle riferite alla ruota oziosa ed infine con il pedice re quelle riferite al rinvio centrale Il diametro primitivo nominale della ruota dentata del contralbero si ottiene moltiplicando 1l numero dei denti uguale per definizione a quello dell ingranaggio di comando dell albero a gomiti per il modulo trasversale dia Zm 25 2 156 53 895 mm Il diametro primitivo nominale dell ingranaggio di rinvio centrale dato a disegno in quanto un componente in produzione che viene gi montato sul motore e vale d c 77 609 mm La circonferenza primitiva della ruota oziosa dev essere bitangente alle altre due primitive Figura 4 19 ma al tempo stesso dare luogo ad una dentatura che non tocchi e non interferisca con il coperchio anteriore in antiphon del basamento cosa che costituisce 1l D 33 895 68 698 Figure 4 19 In verde le circonferenze primitive da sinistra a destra dei seguenti ingranaggi contralbero ruota oziosa e rinvio centrale
122. er albero 3 cuscinetti per albero Figura 3 18 Gruppo masse controrotanti del motore R754IE4 _Q Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Le masse controrotanti di Figura 3 16 si differenziano dall oggetto di studio di questo elaborato ovvero l albero controrotante per la posizione in cui sono montate sul motore Nel motore R754IE4 le masse controrotanti si trovano all interno della coppa dell olio Ci che merita maggiore attenzione riguarda la loro soluzione costruttiva s1 tratta di due alberi rotanti su un supporto di alluminio fissato al piano del basamento inferiore dove poggia la coppa e aventi ciascuno due masse eccentriche come in Figura 3 17 e 3 18 Per ognuno dei due alberi 1 cuscinetti sono 3 e sono costituiti solamente da un perno ricavato sull albero e dalla sede del perno ricavata sul supporto senza che siano interposte delle bronzine o delle boccole Lo studio dei perni a strisciamento di questi due alberi ausiliari ha portato alla conclusione che l applicazione pu funzionare anche in questa configurazione purch siano verificate le condizioni di lubrificazione forzata Figura 3 19 Applicazione masse controrotanti motore R754IE4 vista dal basso Figura 3 20 Applicazione masse controrotanti motore R754IE4 vista dall alto _92 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica 3 2 3 1 Calcolo dei perni a strisciamento Il calcolo d
123. ernative riguardanti la struttura del supporto per il contralbero La soluzione a presenta come gi visto nel paragrafo 3 1 2 un supporto composto da tre parti e per questo motivo un numero di elementi secondari elevato Il coperchio dell albero detto anche Carter fissato al supporto anteriore con quattro tiranti viti M6 e tra i due componenti vi una guarnizione che impedisce la fuoriuscita dell olio Nella zona retrostante il Carter avvolge parte del supporto posteriore avendo un diametro maggiore e la tenuta garantita da un O Ring di diametro interno pari a 82 22 mm Mantenendo un supporto di questo tipo Figura 3 13 suddiviso in tre parti non si pu ridurre il numero di componenti secondari poich in qualche modo bisogna impedire la fuoriuscita dell olio lubrificante e tenere ancorate le varie parti l una all altra Guarnizione a a a ed ne Figura 3 15 Particolari riguardanti il fissaggio del Carter ai supporti nella soluzione a a O Ring D 28 22 87 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Soluzione L obiettivo primario che ha accompagna la progettazione del nuovo albero controrotante stato la riduzione del numero delle parti che avrebbero composto l applicazione in particolare in base a quanto gi affermato il numero degli elementi che costituiscono 1l supporto dell albero Inizialmente sembrato difficile poter realiz
124. esh vengno vincolati a non muoversi in tutte e tre le direzioni principali X Y e Z In questo modo 200 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti si simula la presenza del basamento e il fatto che il supporto sia montato e fissato proprio su di esso Figura 6 18 Creazione dei tre strati di elementi che simulano la presenza del basamento A questo punto bene definire quale sia il comportamento reciproco delle due facce del supporto e delle rispettive due facce del basamento a contatto Per prima cosa con il comando 3D detach si staccano completamente 1 due components in modo tale che sulla linea di contatto non vi sia una sola serie di nodi ma vi siano due serie di nodi sovrapposti una serie appartenente al supporto e una appartenente al basamento Nell intorno delle viti 1 due components cio supporto e basamento sono vincolati a muoversi allo stesso modo in tutte e tre le direzioni principali I nodi utilizzati per assegnare questo vincolo sono quelli selezionati in Figura 6 19 Questi nodi appartengono alla faccia anteriore del supporto che poggia sul basamento e in particolare ci si trova nell intorno della vite superiore Lo stesso vincolo assegnato anche al nodi della stessa faccia attorno alla vite inferiore e ai nodi attorno alle viti appartenenti all altra Figura 6 19 faccia del supporto che va a contatto con il basamento cio quella posteriore 201 Capitolo
125. evista Figura 2 29 Prima manovella dell albero a gomiti del motore R753IE4 Il peso delle mazzette da applicare al primo e al secondo perno di manovella si ricava calcolando il momento centrifugo totale dovuto ai corpi eccentrici dell albero a gomiti le 3 manovelle e poi impostando come obiettivo che questo momento centrifugo sia nullo La 69 Capitolo 2 L Equilibratura variabile che si lascia libera proprio la massa dei perni di manovella data dalla massa del perno stesso sommata alla mazza della ipotetica mazzetta da applicare fissata la massa propria del perno la massa della mazzetta pu variare fino al valore che annulla 11 momento centrifugo totale Il calcolo del momento statico e centrifugo avviene sommando 1 contributi di tutti le masse non assialsimmetriche di cui composto l albero cio le tre manovelle Ciascuna manovella formata da un perno di manovella dove vanno montati cuscinetto di biella e biella e due maschette In Figura 2 29 rappresentata per esempio la prima manovella dell albero a gomiti del motore R753IE4 Figura 2 30 Coordinate del baricentro della prima maschetta rispetto all asse di rotazione dell albero Sono lasciati fuori dall analisi 1 perni di banco in quanto sono assialsimmetrici rispetto all asse di rotazione dell albero Dal lato pratico per il calcolo dei momenti statici e centrifughi di maschette e perni di manovella necessario conoscere
126. fatti sia per le viti che per le altre forze non vi appartiene mentre quelli indipendenti devono essere dei nodi della mesh tridimensionale Figura 6 20 Di per la distribuzione della forza pom alla testa della vite In Figura 6 20 la freccia rossa rappresenta la forza dovuta al tiro che si ha sulla vita dopo il serraggio a 45 Nm cio come visto 27086 N Per ognuna delle 4 viti si adotta questa soluzione di carico un elemento RBE e la forza applicata al centro dell elemento cio sul nodo dipendente 202 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Gli RBE vengono impiegati anche per distribuire le forze rotanti sui cuscinetti di intensita pari a 1710 15 N Se non si usassero questi elementi bisognerebbe applicare le forze ad un singolo nodo e questo modus operandi non rappresenta in maniera verosimile la realt con gli RBE la forza applicata al nodo dipendente che in questo caso giace sull asse di rotazione del contralbero e poi distribuita ad una serie di nodi scelti come indipendenti Questi nodi sono stati scelti sul cuscinetto in modo tale da coprire una zona spazzata da un angolo di circa 60 La Figura 6 21 mostra per il cuscinetto anteriore nel CASO 1 come stato costruito PRBE di colore blu e dove stata applicata la forza cio sul nodo dipendente da cui partono 1 rami dell RBE Per poter visualizzare bene questa soluzione di carico sono stati nasco
127. feriore dei denti del contralbero pi piccolo dello Strisciamento specifico al contatto inferiore dei denti della ruota oziosa e questo un 129 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y aspetto molto positivo dal momento che il numero dei denti sul contralbero minore del numero dei denti dell oziosa Resistenza In questa schermata si realizza il calcolo della resistenza delle due ruote che ingranano secondo le equazioni imposte dalla norma ISO 6336 metodo semplificato B Per fare questo vengono calcolati anche una serie di coefficienti e fattori d influenza necessari per la stima della resistenza I dati di input da inserire nelle caselle azzurre di Figura 4 7 e 4 8 sono e Potenza trasmessa e Regime della ruota 1 e Modulo elastico del materiale delle ruote I dati di output per le singole ruote visibili nelle caselle rosa sono e Pressione superficiale e Sforzo di flessione e Fattore di resistenza e Fattore di intaglio e Fattore dell angolo d elica e Verifica della convergenza del calcolo Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Calcolo di resistenza secondo ISO Dati di progetto Potenza trasmessa kW 1 4 Giri min ruota 1 2600 Modulo elastico daN mm2 210000 Larghezza fascia mm 15 0 Pressione superficiale daW mm2 52 633 Ruota 1 Sforzo di flessione dall mm2 fattore di resistenza Yf con Qs fattore di intaglio
128. ficazione e cuscinetti a strisciamento sinistra dell elemento e le forze di taglio dovute alla viscosit e alla velocit sulla faccia superiore e quella inferiore La somma delle forze in direzione x porge dp OT E pdydz p E dx dy dz t dx dz t dy dx az 5 1 Che si semplifica 1n dp OT 5 1 dx dy Dalla definizione di viscosit dinamica si ha B Ou 33 TSH T in cui si utilizza la derivata parziale perch la velocit u dipende sia da x sia da y Sostituendo l equazione 5 3 nella 5 2 si ottiene 2 Te ws 5 4 Ora tenendo x costante si integri due volte questa espressione rispetto a y Si ottiene du 1 dp T ji PET VAR i 7 C y C 5 6 5 5 Si noti che tenere x costante ii che C e C2 possono essere funzione di x Si ipotizza ora che non ci sia scorrimento tra il lubrificante e le superfici di confine Ci fornisce due condizioni al contorno che permettono di valutare le costanti C e C2 ay 0 u 0 ay hu U s1 osservi nella seconda condizione che h una funzione di x Sostituendo queste condizioni nell Equazione 5 6 e risolvendo si ottengono le costanti Oppure U 2_ h Sil z Po VO nre n Questa equazione fornisce la distribuzione delle velocit del lubrificante all interno del film in funzione della coordinata y e del gradiente di pressione dp dx L equazione mostra che la distribuzione di velocit attraverso il film da y 0 a y h si ottiene sovrapponendo una distribuzione parabo
129. ggiore di quella necessaria per equilibrare la coppia dovuta alle forze centrifughe dell albero nudo ma inferiore alla massa totale necessaria per equilibrare tutte le coppie che si generano in seguito al montaggio dei cuscinetti di biella delle bielle e dei pistoni L albero nudo cio senza che si considerino montati pistoni e bielle equilibrato solo staticamente poich il momento statico risultante delle tre manovelle nullo Al contrario il momento centrifugo risultante calcolato ad esempio rispetto alla mezzeria del perno della seconda manovella ovviamente non nullo Per questo motivo l albero dell R753IE4 non sar mai montato nudo sulla macchina equilibratrice ma prima saranno montate sull albero e precisamente sui perni della 608 Capitolo 2 L Equilibratura prima e della terza manovella delle masse equilibratrici dette mazzette come mostrato in Figura 2 28 Figura 2 28 Albero a gomiti del motore R753Ie4 con mazzette Queste masse fanno s che la macchina possa equilibrare dinamicamente l intero sistema albero mazzette lo squilibrio di partenza non esageratamente elevato da portare la macchina a divergenza ed indicare quali siano le maschette da forare al fine di ottenere un momento centrifugo risultante nullo Al termine del processo per l albero provvisto di mazzette la coppia risultante delle forze centrifughe rientrer all interno della tolleranza pr
130. i pi bassa del valore raggiunto sul grezzo subito dopo il trattamento Questa diminuzione ancora pi critica in corrispondenza alla zona del perno dove prima della sgrossatura si aveva la linea di bava Per il contralbero in acciaio il trattamento termico previsto la tempra a induzione che va eseguita a lavorazioni meccaniche praticamente concluse sull albero Questo trattamento pu essere realizzato agendo con gli induttori direttamente sui perni e cosa pi importante avviene dopo la lavorazione di sgrossatura In questo modo alla tempra segue sui perni solo la lavorazione di rettifica che asporta al pi due o tre decimi di materiale 0 2 0 3 mm non influendo sulla diminuzione delle propriet meccaniche raggiunte col trattamento Inoltre nel caso di un contralbero in acciaio stampato a caldo non si guarda l integrit del materiale post produzione mentre per il contralbero in ghisa ottenuto per fusione si devono eseguire dei controlli per verificare l integrit del materiale con strumenti quali ad esempio liquidi fluorescenti o ultrasuoni aumentando 1 costi e 1 tempi di processo 112 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y A queste considerazioni se ne aggiunge un altra legata a ragioni logistiche e politiche aziendali il fornitore a cui si rivolgerebbe VM per la produzione del contralbero un fornitore indiano che non ha lunga esperienza nei trattamenti di a
131. i altri agiscono sul blocco motore e da questo attraverso 1 supporti si trasmettono alla incastellatura su cui risiede 11 motore Poich le forze e 1 momenti sono variabili nel tempo e sia 1 supporti sia l incastellatura sono dotati in misura minore o maggiore di una certa elasticit il gruppo motore pu assumere un moto vibratorio L equilibramento del motore ha lo scopo di ridurre e se possibile eliminare tali vibrazioni annullando le cause stesse che le provocano e cio le forze e 1 momenti applicati dall interno al gruppo motore Il motore si dir equilibrato quando sono nulle le risultanti di tali forze e di tali momenti salvo la coppia di reazione risultante che non evidentemente possibile annullare in quanto eguale e contraria alla coppia erogata dal motore 2 1 Cinematica del manovellismo Il sistema biella manovella quel meccanismo che permette di trasformare il moto alternato dello stantuffo in moto rotatorio dell albero motore Il manovellismo pu essere di tipo centrato o disassato come rappresentato in Figura 2 1 Nel secondo caso l asse del cilindro non interseca l asse di rotazione dell albero motore ma presenta un disassamento concorde con il senso di rotazione dell albero quando lo stantuffo si trova al P M S In questo modo la biella risulta meno inclinata durante le corse interne espansione ed aspirazione e pi inclinata durante le fasi esterne compressione e scarico Ci risulta utile nei
132. i con cui era stato progettato gia nella soluzione a A questo si aggiunge il fatto che la ghisa non il materiale pi adatto per realizzare spessori contenuti in questo caso necessari per ridurre al minimo gli ingombri e dunque questa soluzione viene ben presto abbandonata Nasce quindi l idea di realizzare un supporto in due pezzi ma non pi di ghisa bens di alluminio con un processo di fusione L alluminio scelto PEN AC 43100 secondo la UNI EN 1706 Questa configurazione pu essere indicata come soluzione B L alluminio riduce notevolmente il peso del supporto avendo una densit di gran lunga inferiore a quella della ghisa e consente di raggiungere spessori anche di 4 5 mm In questo caso il dubbio riguarda la resistenza del materiale in quanto vero che l alluminio riduce la massa del supporto ma altrettanto vero che ha un carico unitario di rottura a trazione inferiore a quello della ghisa e ovviamente anche a quello dell acciaio Un analisi agli elementi finiti discussa 88 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica dettagliatamente nelle pagine che seguono chiarisce come le basse tensioni in gioco non pregiudichino la scelta dell alluminio come materiale di fabbricazione del supporto e quindi delle due parti che lo costituiscono Sul supporto in corrispondenza alle sedi dei cuscinetti dove alloggiano 1 perni del contralbero sono realizzati dei fori per il montaggio di
133. i funzionamento Pr 21 645 Spessore sul diametro limite profilo evolvente 4 400 Angolo elica su diametro di base Pe 20 532 Misura cordale su 5 denti mm 27 930 Modulo trasversale di funzionamento my 2 148 Addendum utensile Ho mm 1 308 Dati Ruota 2 RUOTA OZIOSA Somma coeff di spostamento X1n X2n 0 142 xeon 0 156 b Xin minimo per evitare sottotaglio 1 310 Spostamento mm 0 312 X2n minimo per evitare sottotaglio Diametro esterno mm 67 052 xin imposto Diametro primitivo nominale mm 64 076 Riawicinamento assi mm Diametro primitivo di funzionamento mm 63 707 Ricoprimento trasversale Diametro limite di coniugazione sul fondo mm 60 634 Ricoprimento di fascia Diametro limite profilo evolvente al piede mm 19 707 Ricoprimento totale Margine tif mm 0 463 i Diametro di fondo mm 7 812 Ribassamento testa ruota 1 Gioco sul fondo mm 0 617 Ribassamento testa ruota 2 Diametro di base mm 76 266 Spessore di testa mm 1 915 i N denti per la misura della cordale ruota 1 3 246 N denti per la misura della cordale ruota 2 Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm Strisciamento specifico al contatto inf mm Strisciamento specifico all estremo inf mm 1 127 Misura cordale su 6 denti mm 33 613 Spessore sul diametro limite profilo evolvente 4 263 Misura cordale su 6 denti mm 33 613 Figure 4 20 Ingranaggio di rinvio e Ruota oziosa Tra 1 vari parametri indicati in Figura 4 20 bisogna controllare sopratt
134. i la VM Motori per l applicazione A questo se ne aggiungono indubbiamente altri come per esempio uno studio pi approfondito sulla possibilit e la convenienza di realizzare il contralbero in ghisa sferoidale austemperata oppure considerare l alternativa di progettare insieme all albero controrotante anche un nuovo coperchio anteriore del basamento in modo tale da avere maggiori libert nel posizionamento del contralbero e nella gestione degli spazi Infatti la volont di mantenere il coperchio anteriore invariato ha costituito un limite per alcune idee e scelte progettuali La figura che segue mostra l albero controrotante montato sul basamento del motore insieme alla campana alla pompa dell acqua alla coppa dell olio e al coperchio anteriore del basamento 209 210 Ringraziamenti Ringrazio sentitamente il Dott Ing Mauro Ricotta per la disponibilit con la quale ha seguito lo sviluppo della mia tesi per le spiegazioni sempre esaurienti e per gli insegnamenti che mi ha trasmesso durante i suoi corsi Ringrazio la VM Motori S p A per avermi accolto come stagista da Settembre 2013 a Marzo 2014 in particolare ringrazio l Ing Stefano Saracino per avermi dato la possibilit di lavorare ad un progetto cos importante e interessante e per aver sempre seguito con attenzione gli sviluppi dei miei lavori ringrazio di cuore Davide Tassi e Alessandro 66 3 Michelazzo per avermi preso sotto la loro ala
135. i nel 1947 per iniziativa di due imprenditori centesi Claudio Vancini e Ugo Martelli Nello stesso anno in risposta ad un mercato che richiede motori per uso agricolo semplici affidabili ed economici sia dal punto di vista manutentivo che di consumi l azienda realizza il primo motore diesel italiano raffreddato ad aria un monocilindrico capace di erogare 12 CV a 1700 giri e denominato 12 DA Il successo e l evoluzione di questa tipologia di prodotto che costituisce la prima famiglia dei motori diesel VM porter nel 1960 all inaugurazione di un nuovo stabilimento capace di far fronte alle esigenze di spazio sopravvenute I motori prodotti saranno caratterizzati dalla costruzione modulare che tuttora viene applicata alimentando il mercato sia industriale che marino 19 Capitolo 1 VM Motori S p A Nel 1971 la necessita di risorse finanziarie per lo sviluppo di nuovi progetti spinge 1 vertici aziendali ad operare la fusione con la Stabilimenti Meccanici Triestini che consentir di entrare a far parte del gruppo IRI Finmeccanica Nasce la Stabilimenti Meccanici VM S p A con due stabilimenti di produzione il primo a Cento per 1 motori industriali e il secondo a Trieste per motori marini e gruppi elettrogeni Negli anni 70 pur continuando con successo nell ambito dei motori industriali VM realizza nello stabilimento di Cento una nuova serie di motori denominata HR High Revolution di concezione estremamente avanzata che segne
136. i nuovi componenti che costituiranno l applicazione il contralbero il supporto per il contralbero il circuito di scarico dell olio e il sistema di ingranaggi che portano il moto al contralbero Il Capitolo 5 parla delle tipologie di lubrificazione e applica due diverse teorie di verifica ai cuscinetti a strisciamento dell albero controrotante Infine il Capitolo 6 tratta di come siano stati verificati strutturalmente l albero controrotante e il suo supporto attraverso l implementazione di analisi FEM cio basate sul metodo agli elementi finiti _18 Capitolo 1 VM Motori S p A Capitolo 1 VM Motori S p A Situata a Cento in provincia di Ferrara la VM Motori S p A un azienda motoristica italiana specializzata nella progettazione costruzione e commercializzazione di motori Diesel per gli impieghi pi diversi Ad oggi occupa una superficie di 85 000 mq dei quali pi di 50 000 coperti produce mediamente 85 90 000 motori all anno per un fatturato che nel 2013 oscillava attorno ai 300 milioni di Euro e conta un organico di circa 1150 persone Il sistema di gestione della qualit della VM Motori S p A certificato essere conforme alla norme ISO TS 16949 2009 ed ISO 9001 2008 e alla normativa ISO 14001 per la gestione ambientale lire a ASTI jn resa sini a _ AEA P 1 7 VM oi stabilimenti di Cento Fe 1 1 Storia della VM Motori VM Motori vede le proprie origin
137. ice 1503 3 10302053F Cuscinetto di biella completo pesato L Lunghezza interasse di biella mm X1 Distanza Baricentro biella Asse spinotto mm X2 Distanza Baricentro Asse perno di manovella r Raggio di manovella roses Meats altera Muete XL 311 35 fol Mota POtnte Myota XL 703 65 lol Mbiella alterna Mpistone completo 1489 35 g com com NO NOE Mbiella rotante Mcuscinetto di biella 798 65 M Rotante 1 2 M Alterna 1503 33 Matera non equilibrata Miot alterna Mio rotante Meguilibratrice 144 67 Mrotante non equilibrata Meguilibratrice Miot rotante 144 67 25 32 Calcolo della coppia risultante dovuta alle forze centrifughe Come prima cosa si calcola la forza centrifuga agente sulla singola manovella che pu essere espressa come Fc Mrot non eq w r dove la velocit angolare dell albero espressa in rad s r il raggio di manovella in m e con Mot non eq Si tiene conto della massa rotante che rimane non equilibrata pensando di avere concentrata su ogni perno di manovella una massa pari alla massa equilibratrice Inserendo 1 valori numerici relativi al caso specifico si ottiene una forza centrifuga pari a Fc Mrotnoneg 2 r 2953 41 N 63 Capitolo 2 L Equilibratura Il calcolo della risultante delle coppie dovute alle forze centrifughe si esegue con la seguente formula gt Mc V3 a Fe Dove a l interasse tra 1 cilindri che in questo caso misura 112 mm Se si
138. il rinvio centrale completo che la ruota oziosa completa stato necessario dare una forma ai denti delle tre ruote dentate oggetto dello studio in questo caso si utilizzato il software KISSsoft nella versione di Marzo 2012 Il software parte dai valori nominali valutati con 1 fogli di calcolo dei Diametri di testa di fondo primitivo ecc per poter poi dare una rappresentazione del profilo dei denti e delle ruote dentate come modelli tridimensionali Per fare questo necessario assegnare per ciascuna ruota delle tolleranze fin qui non considerate come la tolleranza sulla Misura cordale la tolleranza sul Diametro di testa e sul Diametro di fondo e informazione ancora pi importante la tolleranza sull Interasse La tolleranza sull Interasse stata stimata come la radice della somma dei quadrati di tutti i campi di tolleranza che contribuiscono ad aumentarne l entit e per questo avr ordine di grandezza che si aggira attorno al decimo di millimetro Si prende in considerazione la prima coppia di ruote formata dall ingranaggio di rinvio centrale e dalla ruota oziosa in tabella 4 11 sono riportate tutti 1 campi di tolleranze considerate al fine di stimare quella complessiva sull interasse pari a 11 centesimi di millimetro quindi 0 055 sul valore nominale La stessa tolleranza viene assegnata anche all interasse tra la ruota oziosa e la ruota dentata del contralbero 136 Capitolo 4 Progetto dell albero contror
139. ilizzatrice di questo motore Nella vettura il motore eroga una potenza di 202 kW ed dotato di un inedito sistema di sovralimentazione con turbina a geometria variabile volto a migliorare l efficenza e le prestazioni del motore e ridurre sensibilimente 1 rumori di combustione Tuttavia in Italia per la normativa superbollo viene venduto nella Figura 1 5 A 630 DOHC HP 15 versione depotenziata a 250 CV Questo risultato stato raggiunto ed ha permesso al 3 0L V6 di arrivare ad essere il motore Diesel monoturbo pi potente dell intero mercato con ben 275 CV a 4000 giri Per soddisfare questo difficile compito stato necessario ricorrere all uso di un turbocompressore dotato di tecnologia Ball Bearing ad un sistema di iniezione a 2000 bar e a collettori di scarico in acciaio costruiti con tecnologia air gap 1 3 2 Il settore Industriale Le ingenti risorse dedicate alla ricerca e all innovazione cos come l utilizzo delle pi moderne tecnologie pongono VM Motori all avanguardia della motoristica per applicazioni industriali on road off road stazionarie e sprinkler L attuale gamma il risultato di questa filosofia prestazioni elevate nel rispetto dei pi severi livelli di emissione Oltre all offerta _ 24 Capitolo 1 VM Motori S p A tecnologica VM Motori in grado di offrire ai propri clienti un supporto di alta professionalit che va dal progetto personalizzato fino all i
140. imento trasversale Diametro limite di coniugazione sul fondo mm 51 297 Ricoprimento di fascia Diametro limite profilo evolvente al piede mm 50 524 Ricoprimento totale Margine tif mm 0 387 i Diametro di fondo mm 46 312 Ribassamento testa ruota 1 Gioco sul fondo mm 1 016 Ribassamento testa ruota 2 Diametro di base mm 50 172 Spessore di testa mm 1 609 Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 401 Strisciamento specifico al contatto inf mm Strisciamento specifico all estremo inf mm N denti per la misura della cordale ruota 1 N denti per la misura della cordale ruota 2 Misura cordale su 4 denti mm 21 551 Spessore sul diametro limite profilo evolvente 4 100 Misura cordale su 5 denti mm 27 456 Figure 4 21 Ruota oziosa e ruota del contralbero Nel foglio di calcolo considerando la ruota oziosa come ruota 1 avente tutti 1 parametri noti la ruota dentata del contralbero resta immediatamente determinata un controllo sui parametri pi importanti ha permesso di garantire un buon funzionamento della catena di ingranaggi Per il profilo dentato del contralbero non si prevede alcun ribassamento del diametro di testa a differenza di quanto fatto per la ruota oziosa Osservando gli Strisciamenti specifici si vede che anche in questo caso 1 valori per le due ruote sono dello stesso ordine di grandezza e molto vicini tra loro A questo si aggiunge il fatto che lo Strisciamento specifico al contatto in
141. in grado di rispondere a tutte le necessit richieste Fanno parte della gamma ON ROAD tre diversi motori in configurazione a 3 4 e 6 cilindri Il 4 e il 6 cilindri sono prodotti sia in versione Euro 5 che Euro 6 e da qui 1 nomi R 754 EUS R 754 EU6 R 756 EUS R 756 EU6 il 3 cilindri invece prodotto solo in versione Euro 6 e si chiama R 753 EU6 Per 1 motori industriali semplicemente leggendo 1l nome del motore si hanno molte informazioni riguardo le sue caratteristiche La lettera R all inizio sta ad indicare che si tratta di un motore ad iniezione Common Rail mentre le 3 cifre successive ci dicono la cilindrata e il numero di cilindri l ultima cifra indica 11 numero dei cilindri e le prime due indicano la cilindrata per canna divisa per 10 Quindi la dicitura R 754 indicher un motore a 4 cilindri con cilindrata per canna di 750 cc la cilindrata totale sar di 3000 cc 95 Capitolo 1 VM Motori S p A 1 3 2 2 Motori OFF ROAD La gamma di motori industriali off road nasce dall esperienza acquisita da VM Motori sia nel campo industriale che in quello veicolare I motori R750 StageIIIB della gamma esistente avranno la loro evoluzione secondo le restrittive normative StageIV utilizzando sistemi di trattamento e ricircolo dei gas di scarico DOC e DPF SCR con EGR raffreddata Completano la gamma di VM Motori una serie di propulsori con omologazione StagellIA anche ad iniezione meccanica adatti per mercati dove vengono richiest
142. initiva y LEGENDA Ruota oziosa Contralbero Oltre al profilo dei denti 2D KISSsoft mostra tra 1 suoi output anche una rappresentazione tridimensionale delle ruote Le figure che seguono mostrano gli ingranamenti tra le ruote dentate prese a coppie ingranaggio di rinvio blu con ruota oziosa verde e ruota oziosa verde con ruota dentata sul contralbero rossa 138 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Lo scopo della lubrificazione ridurre l attrito l usura e il riscaldamento dei componenti delle macchine in moto relativo Un lubrificante qualunque sostanza che quando viene frapposta tra le superfici in moto relativo realizza questi obiettivi In un cuscinetto a strisciamento un albero o perno ruota o oscilla all interno di un manicotto o boccola e il moto relativo di scorrimento In un cuscinetto antifrizione 11 movimento principale di rotolamento Un cedente pu rotolare o strisciare sulla camma I denti degli ingranaggi si accoppiano tra loro per mezzo della combinazione di un moto di rotolamento e uno di strisciamento I pistoni scorrono all interno dei propri cilindri Tutte queste applicazioni richiedono lubrificazione per ridurre l attrito l usura e il riscaldamento Il campo di applicazione dei cuscinetti a strisciamento o portanti immenso L albero a gomiti e 1 cuscinetti di biella di un motore auto
143. inuisce la velocit di rotazione si riduce l effetto trascinante del perno e lo spessore minimo del film d olio diventa sempre pi piccolo Velocit di rotazione troppo elevate provocano tuttavia eccessivo riscaldamento dell olio la cui viscosit diminuisce riducendo di conseguenza la capacit portante del cuscinetto Pertanto la regione alla sinistra della linea BA rappresenta una condizione di lubrificazione instabile o lubrificazione in velo sottile Il coefficiente d attrito f assume 1 seguenti valori f 0 002 0 012 per lubrificazione in velo spesso f 0 012 0 10 per lubrificazione in velo sottile FE anche utile osservare che un valore ridotto di viscosit e quindi un valore piccolo di uN P indica che il film di lubrificante molto sottile e che ci saranno maggiori possibilit di 155 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento avere qualche contatto metallo metallo e dunque pi attrito Pertanto il punto C rappresenta quello che forse l inizio del contatto metallo metallo quando uN P si riduce Un criterio che pu servire di buon orientamento nella progettazione Kreisle indica che le condizioni di lubrificazione idrodinamica vengono meno quando le asperit superficiali delle parti accoppiate entrano in contatto tra loro interrompendo la continuit del velo d olio DI conseguenza lo spessore minimo di meato deve essere almeno uguale alla somma delle rugosit totali delle
144. ione Professionale e Qualit e Logistica e Servizio al Chente e Gestione Nuovi Impianti e Prodotti e Sviluppo delle Risorse Umane e Ambiente Ogni pilastro gestito da un leader Pillar Leader che coordina un team di lavoro implementa le metodologie migliora le competenze e gestisce 1 progetti attraverso la valorizzazione delle persone e delle loro skill professionali VM Motori si apre ad uno scambio di dati informazioni sollecita idee e proposte per migliorare le singole postazioni di lavoro e 1 processi aziendali s1 impegna a trasferire con trasparenza conoscenze e metodi per ogni processo aziendale 1 3 prodotti Ad oggi il prodotto VM si distingue in due categorie fondamentali 11 motore diesel destinato al settore automotive e quello destinato al settore industriale Quest ultimo si divide ulteriormente in tre categorie uso agricolo industriale e marino 1 3 1 Il settore automotive La gamma di motori VM per il settore automotive si compone di tre famiglie di motori 3 4 e 6 cilindri capaci di erogare potenze dagli 81 kW ai 202 kW Ciascuna famiglia offre una versione diversa del prodotto a seconda delle esigenze del cliente Il pi piccolo motore tra quelli progettati da VM PA 315 SOHC unico motore della famiglia a 3 cilindri disponibile in un unica versione Questo motore a 3 cilindri in linea 1500 cc 12 valvole con iniezione Common rail stato derivato dalla versione 4 cilindri con cui condivide la
145. ioni della regolarit della coppia motrice dell equilibratura delle forze e coppie centrifughe nonch dell equilibratura delle forze alterne del 1 ordine e relative coppie _ 50 Capitolo 2 L Equilibratura Una forza alterna del primo ordine m w rcosa pu anche essere considerata come la risultante di due forze F e F gt di intensit 1 2m w7r rotanti l una insieme alla manovella equirotante con velocit w e l altra in senso opposto controrotante con velocit w Figura 2 15 Analoga osservazione vale per una forza alterna del 2 ordine in questo caso le forze rotanti hanno intensit 1 2m w rA e le velocit angolari assumono i valori 2w e 2w Si comprende quindi come sia possibile equilibrare la forza alterna del 1 ordine Fa generata da una manovella motrice mediante 2 alberi sussidiari posti come in Figura 2 16 portanti entrambi una massa pari alla meta di quella m che genera la Fa e rotanti uno alla stessa velocit dell albero a gomiti e l altro a velocit uguale e opposta cos pure l equilibratura della forza del 2 ordine si pu ottenere mediante altri 2 alberi provvisti di masse pari ad 1 8m A rotanti alle velocit di 20 e 20 Il sistema ad alberi controrotanti stato adottato per la prima volta in un motore a 4 cilindri a 4 tempi Lanchester e pi tardi in motori a 2 tempi General Motors Oggi viene usato specialmente in motori a 4 cilindri e 4 tempi per trattori agricoli e ma
146. ipende molto dal fatto che il supporto sia costituito da 3 elementi Infatti tanto pi numerose sono le parti che formano il supporto dell albero e tanto pi elevato il numero di componenti come guarnizioni O rings tubi ecc necessari per garantire il buon funzionamento dell applicazione Nella tabella che segue sono indicati tutti i componenti della soluzione a esclusi 1 supporti il carter e il contralbero il numero totale dei componenti 47 Tra questi ve ne sono alcuni dai quali non si pu prescindere come le viti di fissaggio dei supporti o la ruota dentata Z 25 che riceve il moto dalla distribuzione di ingranaggi costituita da albero motore rinvio centrale e ruota oziosa mentre a molti altri s1 potrebbe rinunciare costruendo un supporto in due pezzi piuttosto che tre o addirittura in pezzo unico Ragionando in maniera approfondita sullo scarico dell olio lubrificante si potrebbe ridurre anche il numero dei componenti che costituiscono questo circuito QUANTIT a7 QUANTIT O A E RNA Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Nella soluzione a l olio in pressione raggiunge le sedi dei cuscinetti tramite dei fori praticati sul basamento Nella sede di ciascun cuscinetto prevista una boccola cio un cuscinetto a strisciamento formato da un unico anello cilindrico e non due semi gusci circolari come sono invece le bronzine L olio una volta svolta la sua funzione lubrificatri
147. it di montaggio linguetta ruota dentata e dadi esagonali In Figura 3 12 sono mostrate le due soluzioni a sinistra quella con la ruota dentata realizzata a parte e fissata con dadi e linguetta all albero e a destra la ruota dentata ricavata direttamente sul profilo dell albero La soluzione di destra mostra immediatamente un altro vantaggio cio il fatto di poter recuperare lo spazio immediatamente a destra della ruota dentata per poter avere della massa di materiale che contribuisce anch essa a generare la coppia desiderata In questo caso infatti la ruota dentata non dev essere infilata nell albero com era stato Figura 3 14 Due differenti soluzioni di montaggio della ruota dentata sul contralbero 86 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica pensato per la soluzione a e quindi lo spazio in pi a disposizione per l albero stampato torna N utile per l equilibratura Un limite di quest alternativa rappresentato dal fatto che la dimensione del perno del cuscinetto anteriore deve essere anche se sufficiente che lo sia di poco maggiore del diametro esterno della dentatura per ragioni di montaggio Questo aspetto dimensionale sar meglio chiarito e discusso in seguito trattando il design del contralbero dei supporti e dei cuscinetti 3 2 2 Supporto contralbero e scelta dei materiali Soluzione a Rispetto alla soluzione aziendale a di partenza si sono studiate due alt
148. ita Con questo valore di viscosit 168 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento viene svolto lo studio in cui si calcola l aumento di temperatura e in questo modo viene fissata una nuova stima del suo incremento Questo procedimento viene ripetuto fino a quando la temperatura stimata e quella calcolata coincidono Sul Report di durata si legge anche un altra informazione molto importante per la verifica O i l 1 Viscosity Grage SAE 10W 40 peue Des E CI a T Kinematic TRER 40 C Kinematic Viscosity 100 C r LE Borderine Pumping Temperature D 3829 l e et T Total Base Number Sulphated Ash Content D 874 Figura 5 20 Propriet dell olio lubrificante del motore R753IE4 Q8 T 905 Product Data Sheet Properties dei cuscinetti ovvero la pressione dell olio all ingresso Questa pressione indicata come Poil ed la pressione dell olio nella main gallery Questo valore i pressione varia come la temperatura Toil al variare del regime di rotazione del motore Le Figure 5 21 e 5 22 mostrano come viene riportata la Poil in un report di durata e come varia la stessa al variare degli RPM revolution per minute Per la progettazione e la verifica dei cuscinetti a 2600 RPM assumiamo una pressione dell olio pari a 4 bar Seguendo la suddivisione data al paragrafo 5 5 tra le variabili assegnate o sotto il controllo del prgettista compaiono anche le grandezze dimensionali ovvero diamet
149. l grezzo del basamento infatti stato modificato aggiungendo del materiale nella tasca destinata alla P D F come mostrato in Figura 3 9 In questo modo possibile in sede di lavorazioni meccaniche realizzare una tasca rettangolare per l accoppiamento con una faccia piana del supporto anteriore del contralbero In figura 3 8 si pu vedere come apparir il basamento per far s che all interno della tasca di altezza 154 mm si possa accoppiare il supporto anteriore del contralbero Il punto di intersezione degli assi tratteggiati in basso a destra in figura rispetto ai quali quotata la lavorazione rappresenta l asse di rotazione dell albero a gomiti L asse di rotazione dell albero controrotante invece il punto di intersezione degli assi tratteggiati che distano 103 e 130 mm dall asse di rotazione dell albero motore MATERIALE AGGIUNTO 103 oe AT T Figura 3 9 Studio del materiale da aggiungere alla tasca grezza semicircolare per albero controrotante 78 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica 154 103 Dr Figura 3 10 Lavorazione sul basamento per accoppiamento con il supporto anteriore dell albero controrotante 3 1 2 Descrizione della soluzione a Si gi detto pi volte che il progetto dell albero controrotante affrontato in questo elaborato non avvenuto senza un punto di partenza infatti tra la fine del 2012 e l inizio del 2013 si
150. l suo coefficiente di spostamento X2n Lo Spostamento imposto si valuta come 11 prodotto del modulo normale per ul coefficiente X2n 126 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Spostamento imposto ruota 2 m X2n 2 0 156 0 312 mm In Figura 4 20 mostrata la schermata riguardante 11 calcolo della geometria per la coppia Ingranaggio di rinvio e Ruota oziosa Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Calcolo geometrico Dati di progetto Dati Ruota 1 RINVIO CENTRALE Interasse mm Spostamento mm 0 028 Modulo normale m mm Diametro esterno mm 91 665 Angolo di pressione an Diametro primitivo nominale mm 17 609 Angolo dell elica B Diametro primitivo di funzionamento mm 1 333 Coeff Addendum utensile hg Diametro limite di coniugazione sul fondo mm 44 794 Coeff Arrot testa utensile rp Diametro limite profilo evolvente al piede mm 73 700 N denti ruota 1 RINVIO CENTRALE Margine tif mm 0 547 N denti ruota 2 RUOTA OZIOSA Diametro di fondo mm 12 025 Larghezza fascia mm Gioco sul fondo mm 1 017 Diametro di base mm 2 247 Spessore di testa mm Dati di ingranamento Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm Modulo trasversale m mm 2 156 Angolo di press trasversale oy 21 421 trisciamento specifico all estremo inf al Angolo di press trasv di funzionamento t 20 994 Misura cordale su 5 denti mm 21 930 Angolo elica d
151. la tolleranza che deriva dalla somma delle seguenti tolleranze esistenti per ogni singola ruota e Tolleranza sulla posizione del centro di rotazione e Tolleranza sulla lavorazione della sede per il perno di centraggio sul basamento e Tolleranza sul diametro del perno di centraggio e Tolleranze di concentricit circolarit cilindricit e sulla dimensione del perno dove va montato l ingranaggio all asse di rotazione e Tolleranza sul diametro interno del cuscinetto ove presente e Tolleranza sul diametro interno dell ingranaggio Per capire fino in fondo a cosa si riferiscono queste tolleranze necessario illustrare la soluzione costruttiva che caratterizza in linea di massima sia il rinvio centrale che la ruota oziosa In entrambi 1 casi l applicazione costituita da un perno di supporto che viene posizionato sul basamento grazie ad un perno di centraggio ed poi bloccato con delle viti di fissaggio Nel caso del rinvio centrale l ingranaggio montato sul supporto con un cuscinetto a strisciamento boccola che ne permette il moto rotatorio nel caso della ruota oziosa invece si ha l ingranaggio calettato direttamente sul perno del supporto senza il cuscinetto a strisciamento Infine un rasamento impedisce agli ingranaggi di uscire dai supporti ma lascia libera la loro rotazione il tutto lubrificato da olio in pressione Questa soluzione costruttiva stata adottata sia per l ingranaggio di rinvio centrale che pe
152. lasse si trovano Modulo trasversale Angolo di pressione trasversale Angolo di pressione trasversale di funzionamento Angolo d elica di funzionamento Angolo d elica sul diametro di base Modulo trasversale di funzionamento Addendum nominale dell utensile Somma dei coefficienti di spostamento di fabbricazione ideale Coefficienti di spostamento minimi per evitare il sottotaglio delle due ruote Riavvicinamento assi Ricoprimento trasversale Ricoprimento di fascia Ricoprimento totale I dati di output della seconda classe cio quelli che si riferiscono alle due singole ruote sono Spostamento Diametro esterno Diametro primitivo nominale Diamentro primitivo di funzionamento Diametro limite di coniugazione sul fondo 125 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y e Diametro limite del profilo ad evolvente al piede TIF e Margine sul TIF e Diametro di fondo e Gioco sul fondo e Diametro di base e Spessore di testa e Spessore sul diametro primitivo di lavoro e Strisciamento specifico al punto di contatto singolo inferiore e Strisciamento specifico al punto di contatto singolo superiore e Misura cordale sul numero di denti ideale e Spessore sul diametro limite del profilo ad evolvente e Misura cordale sul numero di denti selezionato Il limite di questo foglio di calcolo il riferimento alle condizioni ideali di ingranamento di gioc
153. le Wildhaber che misurata nella schermata del calcolo dei dati geometrici In questa schermata viene prima suggerito un valore teorico del diametro delle sfere da usare e poi viene indicata con la tolleranza la Misura tra le sfere calcolata pensando di utilizzare delle sfere aventi un diametro pari a quello usato maggiormente nella pratica per questo genere di ingranaggi Attorno al valore che si ottiene della Misura cordale Wildhaber nella schermata relativa alla Geometria si stabiliscono 1 valori dei giochi sui fianchi dei denti questi si impongono negativi per entrambe le ruote dentate di ciascuna delle due coppie considerando che solitamente 1 valori s1 aggirano per il singolo dente attorno a e 0 02 0 03 mm per sbarbatura o rettifica e 0 04 0 05 mm per dentatura soltanto Foglio di calcolo per ingraggi cilindrici ad assi paralleli Misura tra le sfere Dati necessari al calcoli Dati calcolati N denti ruota 1 36 diametro sfera ruota 1 4 752 N denti ruota 2 39 diametro sfera ruota 2 5 107 Modulo trasversale di funzionamento me 2 148 OL tri 50 247 Angolo di press trasv di funzionamento sy 20 8941 Cir 50 053 Angolo elica su diametro di base By 20 5324 Ruota 1 Diametro primitivo di funzionamento mm 11 333 Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 503 Diametro di base mm f2 247 Ruota 2 Diametro primitivo di funzionamento mm CENE Spessore sul diametro primitivo di lavoro mm 3 246 Diametro di base mm 78268 D
154. le forze d inerzia Consideriamo l espressione delle forze alterne d inerzia F m w r cos a A cos 2a Il valore della massa m aumenta con l aumentare di L ma in modo meno che proporzionale mentre il valore di varia in modo inversamente proporzionale a L per effetto dell aumento di ma mentre quelle del 2 ordine rimangono all incirca costanti perch l aumento di ma compensa quasi la diminuzione di 4 Come orientamento di massima il valore di questo rapporto compreso tra 0 2 e 0 3 a cui corrisponde una lunghezza della biella di 2 5 e 1 7 volte 11 valore della corsa PMS_ da nr C 2r Figura 2 9 Corsa del pistone tra il PMI e il PMS 5 AQ Capitolo 2 L Equilibratura 2 3 Equilibramento dell albero a gomiti Le cause di squilibrio di un motore alternativo sono la risultante delle forze in direzione verticale ed orizzontale generate dalle forze d inerzia alterne e rotanti e dalla coppia di reazione Queste forze variano periodicamente in grandezza e verso in funzione dell angolo di manovella a causando vibrazioni a tutta la struttura che sopporta il motore Un motore alternativo non pu mai essere equilibrato completamente a causa della inevitabile irregolarit della coppia di reazione che fa periodicamente variare 1 carichi sui supporti In pratica un motore viene equilibrato scegliendo opportunamente il numero e la disposizione dei cilindri e disponendo opportunamente le manovelle de
155. le variabili del primo gruppo in maniera tale da assicurare che quelle del secondo gruppo cadano all interno dei limiti imposti Per progettare un cuscinetto a strisciamento non esiste un unica strada da seguire poich la letteratura offre diverse soluzioni progettuali ognuna con le proprie peculiarit I metodi qui 161 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento descritti utilizzati nel progetto dell albero controrotante per il motore 3 cilindri VM R753IF4 sono due I Metodo di Albert A Raimondi e John Boyd Laboratori di Ricerca della Westinghouse 1958 II Metodo DIN 31652 Plain bearings hydrodynamic plain journal bearings designed for operation under steady state conditions design of circular cylindrical bearings Deutsches Institut fur Normung 5 5 1 Criteri progettuali di Trumpler Per entrambi 1 metodi progettuali utilizzati stato necessario e obbligatorio effettuare un controllo su quei parametri che possono avere degli effetti negativi sulla lubrificazione e sul funzionamento del cuscinetto Tra questi si annoverano lo spessore minimo di meato ho la temperatura massima dell olio Tmax e il carico sul cuscinetto P I limiti assunti per queste variabili sono stati imposti da Trumpler esperto progettista di cuscinetti la cui carriera di consulente si ormai conclusa da tempo ma molti dei suoi progetti sono ad oggi ancora in funzione Dal momento che per sostenere il carico l assiem
156. lematiche alquanto generali ed eventualmente caratterizzate da geometrie anche molto complesse per le quali la determinazione analitica della risposta tenso deformativa risulterebbe impossibile I due componenti dell applicazione che sono stati sottoposti all analisi strutturale nel corso della progettazione sono e Albero controrotante in acciaio 20CrN14 UNI 8550 e Supporto dell albero controrotante in alluminio EN AC 43100 UNI EN 1706 In VM Motori il software utilizzato per questo tipo di analisi strutturali HyperWorks HyperWorks una soluzione aziendale per la simulazione sviluppata per valutare e scegliere le migliori soluzioni progettuali la suite include 1 software pi avanzati per la modellazione 187 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti l analisi la visualizzazione e la gestione di dati per soluzioni lineari non lineari ottimizzazione strutturale interazione fluido struttura e dinamica di sistemi multibody Tutti 1 software di questo tipo per realizzare un analisi FEM si appoggiano su tre differenti programmi ciascuno dei quali svolge un determinato compito Questi sono cos suddivisi Pre processore o Pre processor Solutore o Solver Post processore o Post processor L ambiente Pre processor quello in cui si realizzano le mesh prima di superficie e poi tridimensionale del componente in esame si assegna il materiale si impongono 1 vincoli e 1 carichi e si definisc
157. libratura casi la disposizione delle manovelle risulta tale che rimanga automaticamente soddisfatta senza l aggiunta di contrappesi anche la condizione di equilibrio statico poich l albero ammette un piano di simmetria passante per l asse di rotazione Quando questa condizione non soddisfatta la verifica dell equilibrio statico si pu fare tracciando il poligono delle forze centrifughe che possono essere rappresentate trascurando per ciascuna la costante w dai momenti statici rispetto all asse di rotazione dei singoli elementi che compongono l albero e 1 cul baricentri non giacciono sull asse stesso bracci di manovella perni di manovella ecc La risultante deve essere nulla per soddisfare l equilibrio statico dell albero quando non lo s1 provvede con l aggiunta dei contrappesi L albero del monocilindro schematizzato in figura 2 6 posto in rotazione soggetto a una forza centrifuga Fe che non essendo controbilanciata si trasmette integralmente al basamento L albero pu essere equilibrato come in Figura 2 10 b aggiungendo due contrappesi il cui momento statico totale bilanci il momento statico della forza centrifuga Detta m la massa del contrappeso e r la distanza dall asse di rotazione allora deve essere 2M Mr L albero equilibrato dinamicamente quando nulla la risultante dei momenti generati dalle forze centrifughe presi rispetto a un punto qualunque dell asse per esempio uno degli a
158. lica e una distribuzione lineare 152 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Pemo rotante y U q i x 4 Flusso di l h lubrificante Bronzina fissa Figura 5 8 Profili della velocit del fluido lubrificante 10 La Figura 5 8 mostra la sovrapposizione di queste due distribuzioni che consente di ottenere il profilo di velocit per particolari valori di x e di dp dx In generale il termine parabolico pu essere concorde o discorde rispetto al termine lineare a seconda del segno del gradiente di pressione Quando la pressione diventa massima dp dx 0 e la velocit ha un andamento h Successivamente si definisce Q come il volume di lubrificante che fluisce in direzione x per unit di tempo Considerando una profondit unitaria lungo z il volume pu essere ottenuto tramite l espressione h Q udy 5 9 0 Sostituendo il valore di u ricavato dall equazione 5 7 e integrando si ottiene _ Uh h dp o 2 12udx Il passo successivo utilizza l ipotesi di fluido incomprimibile e afferma che la portata attraverso qualunque sezione trasversale la stessa Pertanto dQ 11 dx 0 5 Dall equazione 5 10 d Udh df h d i 2 0 5 12 dx 2dx dx 12udx 153 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Oppure d h dp dh 6U 5 13 dx u dx dx Che l equazione di Reynolds classica nel caso di flusso monodimensionale Questa equazio
159. lizzata con cura e attenzione soprattutto laddove le superfici sono strette e sottili non si avranno problemi nel momento in cui si avvier il comando 3D tetramesh mesh A questo punto una volta realizzata la mesh 3D si procede impostando 1 vincoli e 1 carichi al componente I supporti dovuti ai cuscinetti sono modellati con degli elementi rigidi che coprono tutti 1 360 della zona di contatto Tali elementi si creano sulla mezzeria dei due perni a strisciamento col comando D rigids e prevedono un nodo indipendente al quale collegata una serie di nodi dipendenti In Figura 6 5 sono rappresentati in fucsia questi elementi rigidi I vincoli sugli spostamenti vengono assegnati al nodo centrale indipendente che per le propriet dell elemento rigid li trasferisce a tutti i nodi dipendenti a lui collegati Figura 6 5 Elementi rigidi per imposizione vincoli al contralbero Per il perno anteriore sono stati impediti gli spostamenti in direzione X Y e Z e la rotazione attorno all asse Z sul perno posteriore sono stati impediti gli spostamenti in direzione X e Y e la rotazione attorno all asse Z In questo modo si elimina ogni labilita al contralbero condizione sine qua non il solutore non giungerebbe alla soluzione del problema 191 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Per rappresentare al meglio la condizione di carico sul contralbero si crea un carico che HyperMesh chiama RFORCE Questo tipo di Load Coll
160. ll albero a gomiti 2 3 1 Equilibratura delle forze centrifughe Le vibrazioni causate dalle forze e dai momenti dovuti alle masse rotanti vengono eliminate o ridotte pensando l albero come un corpo rettilineo che porti a una distanza r dal suo asse di rotazione le masse delle parti che definiamo rotanti Di tutti 1 componenti che costituiscono un motore diesel quelli che si prendono in considerazione per trattare il tema dell equilibratura sono 1 seguenti e Albero motore e Cuscinetti di biella e Biella e Pistone completo Affinch l equilibramento sia completo l albero deve essere equilibrato staticamente e dinamicamente equilibrio dinamico pu essere raggiunto a condizione che sia gi stato conseguito quello statico L albero equilibrato staticamente quando nulla la risultante delle forze centrifughe cio quando il suo baricentro giace sull asse di rotazione in queste condizioni l albero disposto in posizione orizzontale fra due supporti a coltello posti in corrispondenza del suo asse si mantiene fermo in qualsiasi posizione angolare e quindi non ruota perch non ha masse eccentriche prevalenti Per motori a pi cilindri in fase di progettazione dell albero a gomiti regola generale disporre le manovelle in modo da ottenere uno sfasamento uniforme dei cicli di lavoro per raggiungere la massima regolarit possibile della coppia motrice Nella maggior parte dei _ 44 Capitolo 2 L Equi
161. ll asse del cilindro e avente la stessa ampiezza e la stessa pulsazione della forza alterna Il risultato in sostanza quello di aver ruotato di 90 la retta di azione della forza alterna per cui le pulsazioni secondo l asse del cilindro sono state trasformate in pulsazioni ad esso perpendicolari _48 Capitolo 2 L Equilibratura Ma se sull albero si aggiunge in luogo della massa m una massa uguale a m 2 Figura 2 14 b si ottiene l equilibratura di meta della forza alterna mentre nasce un altra forza alterna normale all asse del cilindro e di intensit uguale a met di quella che s1 avrebbe in senso verticale senza l aggiunta del contrappeso La composizione di queste forze alterne agenti secondo direzioni tra loro perpendicolari d luogo ad una forza rotante con velocit w e di intensit 1 2m w che non pu essere equilibrata Figura 2 14 a Equilibratura della forza alterna del 1 ordine b Trasformazione della forza alterna del 1 ordine in forza rotante 5 Questo il massimo grado di equilibratura delle forze alterne del 1 ordine che possibile raggiungere per motori con un solo cilindro Per motori a pi cilindri disposti su una o pi linee le forze alterne del 1 ordine sono equilibrate quando l albero motore di per s senza contrappesi staticamente equilibrato dato che l espressione delle forze alterne del 1 ordine e delle componenti secondo l asse del cilindro
162. lo del lubrificante Perno A N 7 pe pe Cai qui 2 Figura 5 5 Rappresentazione del cuscinetto parziale utilizzato da Tower 10 La Figura 5 5 un disegno schematico del cuscinetto portante che Tower studiava E un cuscinetto di tipo parziale con un diametro di 100 mm una lunghezza di 150 mm e un arco di 157 con lubrificazione a bagno come mostrato I coefficienti d attrito ottenuti da Tower nelle sue indagini su questo cuscinetto erano abbastanza bassi fatto che attualmente non stupisce Dopo aver sottoposto a prova questo cuscinetto Tower realizz nella parte superiore un foro passante per l adduzione del lubrificante del diametro di 12 5 mm Ma quando il sistema fu messo in movimento lolio usc da questo foro Nel tentativo di evitare questa fuoriuscita fu utilizzato un tappo di sughero ma questo salt via e cos fu necessario inserire un tappo di legno nel foro Quando anche il tappo di legno fu spinto fuori Tower cap senza alcun dubbio di essere sull orlo della scoperta Un misuratore di pressione connesso al foro indic una pressione pi grande del doppio del carico unitario sul cuscinetto Alla fine esamin con cura le pressioni nel film per tutta la larghezza e la lunghezza del cuscinetto e individu una distribuzione simile a quella di Figura 5 6 149 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Pmax aa 150 mm d 100mm Figura 5 6 Diagramma approssi
163. lo spallamento del primo perno a strisciamento e il bordo dei fori praticati sulle due masse controrotanti per portare l albero allo squilibrio richiesto Tuttavia poich la massima tensione di von Mises si aggira attorno ai 14 MPa non vi alcun dubbio riguardo la resistenza strutturale dell albero Se si plottano anche le tensioni massime principali vedi Figura 6 9 si osserva che seppur la massima di queste si aggiri attorno ai 18 MPa quindi maggiore della massima tensione di von Mises si ancora molto distanti dal limite di fatica dell acciaio oltre il quale non si pu pi parlare di vita infinita ma vita a termine Contour Plot Stress vonMises Analysis system simple Average 1 413E 01 1 256E 01 1 099E 01 9 425E 00 655E 00 6 265E 00 4 715E 00 3 146E 00 1 576E 00 6 365E 05 12 2972 MPa 14 1337 MPa Max 1 413E 01 Node 49770 Min 6 385E 03 Ngge 46734 K Z Contour Plot stress vonMises Analysis system 13 1795 MPa simple Average 1 413E 01 1 256E 01 1 099E 01 9 425E 00 655E 00 6 28685E 00 4 715E 00 3 146E 00 1 576E 00 6 385E 03 Max 1 4135E 01 Node 49770 Min 6 385E 05 Node 46734 e Figura 6 8 Tensioni di von Mises sul contralbero 194 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Contour Plot Stress P1 major Analysis system Simple Average 1 684E 01 1 667E 01 1 451E 01 1 235E 01 1 016E 01 6 021E 00 5 656E 00 3 695E 00 1 531
164. locit dello stantuffo si annulla per a 0 e a 180 ossia ai punti morti mentre per a 90 e a 270 essa diviene in valore assoluto uguale alla velocit di spostamento r del perno di biella per cui il moto della biella risulta di pura traslazione Il punto in cui la velocit dello stantuffo risulta massima corrisponde a quel valore di a che soddisfa la relazione cosa Acos2a 0 e si trova spostato verso il P M S In Fig 2 3 tracciato il grafico della velocit di spostamento dello stantutfo per r 42 5 mm 0 24 n 6000 rpm La velocit media dello stantuffo mentre esso si muove tra 1 2 punti morti fornita dalla relazione _ Cn _ 2 10 30 U e rappresenta un importante parametro delle condizioni di funzionamento del motore Derivando rispetto al tempo la 2 8 si ottiene l accelerazione dello stantuffo _ 34 Capitolo 2 L Equilibratura a w r cosa Acos 2a 2 11 rm SEC 0 60 120 180 240 300 360 Angolo di manovella Figura 2 3 Velocit dello stantuffo in funzione dell angolo di manovella 1 Essa raggiunge il suo massimo valore positivo in corrispondenza del P M S a 0 dove risulta a o r l A mentre il massimo valore negativo viene raggiunto in corrispondenza del P M I a 180 dove si ottiene a r 1 4 L accelerazione si annulla nei punti in cui la velocit dello stantuffo massima La Fig 2 4 mostra il grafico dell
165. maniera consistente il tempo ciclo ta Figura 3 8 Basamento motore R753IE4 con cappellotto per PDF montato e sede circolare lavorata di barenatura Una P D F come quella di Figura 3 5 che la attuale P D F del motore nel tentativo di non aumentare l ingombro laterale del motore potrebbe essere riutilizzata per l albero controrotante solo immaginando che la sede cilindrica funga da primo supporto di banco dove Heavy Duty Dirt Bucket Figura 3 7 Esempio di bucket per Skid Steer Loader montare un cuscinetto in questo caso per montare il contralbero bisognerebbe introdurlo da dietro sulla P D F e poi uno alla volta si dovrebbero montare tutti gli altri componenti necessari per il funzionamento dell applicazione supporto posteriore coperchio guarnizioni viti tubi scarico olio ecc In questo modo ci si discosta dall idea di ricevere in azienda l albero controrotante preassemblato con tutte le sue parti e pronto da essere montato sul fianco del basamento ma questa una rinuncia che per costi di Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica produzione e di montaggio l azienda non ha intenzione di fare Quindi la soluzione a del 2012 prevede una modifica del grezzo del basamento in modo da non avere pi la tasca semicircolare ma una superficie piana alla quale si accoppier un altra superficie piana ricavata sul supporto dell albero controrotante I
166. mato della distribuzione delle pressioni ottenuta da Tower 10 I risultati ottenuti da Tower avevano una tale regolarit che Osborne Reynolds concluse che doveva esistere una ben definita equazione che mettesse in relazione l attrito la pressione e la velocit L attuale teoria della lubrificazione ha come base il lavoro di Reynolds successivo agli esperimenti di Tower La nuova equazione differenziale elaborata da Reynolds fu da lui utilizzata per spiegare 1 risultati di Tower Reynolds immagino che il lubrificante aderisse a entrambe le superfici e che fosse trascinato dalla superficie in movimento all interno di una zona convergente a forma di cuneo in modo tale da generare una pressione di intensit sufficiente a sostenere il carico sul cuscinetto Una delle importanti assunzioni semplificatrici deriv dalla ipotesi di Reynolds che le pellicole di fluido erano cos sottili rispetto al raggio del cuscinetto da poter trascurare la curvatura Questa ipotesi gli permise di sostituire 1l cuscinetto parziale curvo con un cuscinetto piano chiamato cuscinetto piano di scorrimento Le altre ipotesi furono Lubrificante con comportamento viscoso newtoniano i possono trascurare le forze dovute all inerzia del lubrificante lubrificante incomprimibile la viscosit assunta costante dappertutto all interno del film la pressione non varia in direzione assiale La Figura 5 7 mostra un perno rotante in senso orario su un
167. mobilistico devono funzionare per migliaia di kilometri ad alte temperature e sotto condizioni di carico variabili Si dice che 1 cuscinetti portanti usati nelle turbine a vapore delle centrali per la produzione di energia elettrica abbiano un affidabilit vicina al 100 All estremo opposto ci sono migliaia di applicazioni in cui 1 carichi sono leggeri e il funzionamento relativamente poco importante necessario un cuscinetto semplice di facile installazione che richiede quantit limitate di lubrificante In questi casi un cuscinetto a rotolamento potrebbe essere una soluzione insoddisfacente a causa del costo delle schermature elaborate delle tolleranze strette dello spazio radiale necessario delle velocit elevate e dell aumento delle inerzie Invece un cuscinetto in nylon che non richiede lubrificazione un cuscinetto sinterizzato con lubrificazione Incorporata o un cuscinetto in bronzo con sistema di lubrificazione ad anello con alimentazione a stoppino o con un film di lubrificante solido o a grasso potrebbe rappresentare una soluzione molto soddisfacente I recenti sviluppi nel campo dei materiali per 1 cuscinetti insieme con la pi approfondita conoscenza del fenomeno della lubrificazione rendono possibile una progettazione di cuscinetti a strisciamento di durata soddisfacente e ottima affidabilit 139 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 5 1 Il sistema di lubrificazione nei motori a com
168. motori Diesel in quanto permette di ridurre la spinta laterale massima tra stantuffo e cilindro che si verifica durante la fase di espansione Per effetto del disassamento d 1 punti morti dello stantuffo non coincidono con quelli della manovella e le corse interne occupano un angolo leggermente superiore a 180 mentre quelle esterne un angolo leggermente inferiore In Figura 2 1 sono presenti le seguenti notazioni 3 Capitolo 2 L Equilibratura Figura 2 1 a Manovellismo centrato b Manovellismo disassato 1 a angolo di rotazione della manovella rispetto alla posizione di P M S p angolo di inclinazione dell asse della biella rispetto all asse del cilindro p angolo corrispondente alla posizione di P M S dello stantuffo x spostamento dello stantuffo rispetto al P M S r raggio di manovella C 2r corsa dello stantuffo d disassamento tra l asse del cilindro e l asse di rotazione dell albero motore Nel caso di manovellismo disassato lo spostamento del pistone risulta x L r cos Lcos B rcosa Zk L angolo f pu essere ricavato considerando che DB rsena Lsenb d Da cui r d senb sena p L L e Capitolo 2 L Equilibratura Posto Risulta senp Asend 22 La 2 2 permette di ricavare per ogni valore dell angolo di manovella a l angolo di inclinazione B della biella L angolo corrispondente alla posizione di P M S dello stantuff
169. mplete di boccola al piede di biella e delle viti di fissaggio Sostituendo le grandezze descritte si ottiene Meat Mg X L 311 35 g La massa alterna totale per il singolo cilindro pari a Mroratt Mp Mgaw 1489 35 g _ 61 Capitolo 2 L Equilibratura Masse rotanti I corpi che si muovono di moto rotatorio sono il cuscinetto di biella e la biella Per quest ultima non si considera l intera massa ma una parte di questa appunto quella rotante Detta Mz la massa totale della biella la sua componente da considerare alterna data da Mgrot Mg X L dove X la distanza dal baricentro della biella all asse del piede di biella Figura 2 23 In questo caso specifico si prende X 50 mm mentre L e Mg hanno lo stesso valore preso trattando le masse alterne Sostituendo le grandezze descritte si ottiene Mgprot Mp X L 703 65 g La massa del cuscinetto di biella Mc la si prende pari Figura 2 23 Biella del motore R7531E4 DD g e deriva dalla media aritmetica dei pesi di tre cuscinetti di biella identici La massa rotante totale per il singolo cilindro pari a Mrorrot Mc Mgrot 758 65 g A questo punto sapendo dalla teoria che la coppia risultante dovuta alle forze alterne d inerzia gt M non equilibrabile al 100 a meno di utilizzare nell applicazione anche alberi ausiliari ci si trova a scegliere una percentuale della coppia da equilibrare In questo caso tuttavia si sta
170. ne di qualche bar e lo invia nel circuito ricavato all interno del basamento La pressione di alimentazione dell olio a 2600 RPM come gia visto 4 bar Per questo motivo non esatto procedere al calcolo della portata riferendosi ai diagrammi di Raimondi e Boyd ma bene utilizzare delle formule opportune per 11 calcolo del flusso laterale nei cuscinetti ad alimentazione forzata L integrazione attorno al cuscinetto fornisce 1l flusso laterale complessivo Q che vale TpsTC 14 1562 dove p la pressione di alimentazione dell olio mentre tutte le altre grandezze sono gi note 176 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento L aumento di temperatura del lubrificante termina quando l incremento di energia termica nel fluido che percorre il cuscinetto eguaglia il lavoro d attrito che il perno svolge sul fluido La prima di queste due grandezze vale Qs Hgain 2PCp AT mentre il lavoro d attrito esercitato dal perno vale n Hai fr O Uguagliando le due potenze e risolvendo rispetto a AT si ricava l incremento di temperatura dell olio e lo si pu confrontare con quello stimato all inizio del calcolo _ 2nFNc fr die con N in giri al secondo A questo punto se il AT stimato eguaglia quello calcolato ci I fermiamo con le iterazioni e verifichiamo che questo incremento non superi 1 15 C come stabilito parlando dei Criteri progettuali di Trumpler al paragrafo 5 5 1 Le t
171. ne trascura le perdite laterali cio la portata in direzione z La trattazione sviluppata quando le fughe laterali non vengono trascurate simile L equazione che si ottiene h ap pi h3 ap sgg ani dx u0dx az uoz dx Non esiste alcuna soluzione analitica per l equazione 5 14 soluzioni approssimate sono state ricavate usando analogie con circuiti elettrici somme matematiche tecniche di rilassamento e metodi numerici e grafici Una delle soluzioni importanti dovuta a Sommerfeld e pu essere espressa nella forma r r UN f 5 15 E O P Dove r il raggio del perno c il gioco radiale f il coefficiente d attrito N il regime di rotazione e P la pressione di contatto media sul cuscinetto 5 4 1 Lubrificazione stabile La differenza tra lubrificazione limite e lubrificazione idrodinamica pu essere spiegata osservando la Figura 5 9 Questo diagramma della variazione del coefficiente di attrito rispetto alla caratteristica del cuscinetto uN P fu ottenuto dai fratelli McKee per mezzo di un esperimento sull attrito Il diagramma importante perch definisce la condizionedi stabilit della lubrificazione ed di aiuto al fine di comprendere la lubrificazione idrodinamica e limite o a spessore sottile L equazione 5 15 prevede che f sia proporzionale a uN P cio una retta dall origine nel primo quadrante Sul piano di Figura 5 9 la parte a destra del punto C ne un esempio Le ascisse dei M
172. nfigurazione definitiva y Figure 4 1 Contralbero per la soluzione p Come si pu osservare dalla Figura 4 1 per irrigidire l albero e diminuire l entit delle vibrazioni flessionali a cui sar sottoposto durante il funzionamento del motore si realizzano due nervature che collegano attraverso il cilindro di diametro 30 mm le due masse controrotanti tra di loro si pu anche osservare come sia sfruttato lo spazio anteriore alla ruota dentata per aggiungere della massa utile al fine della coppia centrifuga che l albero deve generare La Figura 4 1 mostra il contralbero lavorato ovvero con le dimensioni previste post lavorazioni meccaniche Chiaramente se questa alternativa fosse stata ritenuta quella definitiva si sarebbe dovuto preparare anche un modello grezzo dell albero considerando circa 2 3 millimetri in pi di sovrametallo per lo stampato e tenendo conto di tutti gli angoli di sformo necessari per facilitare l apertura dello stampo Nella Figura 4 2 rappresentato sempre lo stesso contralbero con le quote relative ai perni e alla lunghezza dell albero in senso longitudinale I diametri dei perni coincidono e dev essere proprio cos con quelli della Tabella 3 4 per il calcolo della pressione media e dell indice di smaltimento del calore La soluzione f non presenta grossi limiti dal punto di vista delle dimensioni e degli ingombri da rispettare per cui si riesce a raggiungere con il contralbero la coppia di 572
173. no 4 pr ai F Fot Fa i N P x cd Figura 2 5 Forze agenti sul manovellismo 1 36 Capitolo 2 L Equilibratura 2 2 1 Azioni interne al blocco motore Coppia di reazione I gas operanti nei cilindri e gli organi in movimento applicano al motore delle forze per determinarle in maniera semplice consideriamo il motore a un solo cilindro cosi come illustrato schematicamente in Figura 2 5 n Fp SEN 8 F tg F Fb cos 3 Figura 2 6 Forze agenti in un cilindro 5 La pressione dei gas d origine ad una forza risultante F che si trasmette direttamente alla testa e quindi al blocco del motore eguale in direzione e intensit a quella esercitata sullo stantuffo ma di senso opposto Il pistone inoltre esercita sul cilindro una forza diretta perpendicolarmente all asse del cilindro stesso di intensit E F tan f e sulla biella una forza diretta secondo l asse della biella stessa e verso il perno di manovella di intensit 9 Capitolo 2 L Equilibratura pe F gt cosh La forza F differisce dalla F in quanto risulta dalla composizione della F stessa e della forza alterna d inerzia F La F trasmessa al perno di manovella e dalla manovella ai cuscinetti di banco perci 11 basamento sottoposto a una forza diretta secondo l asse del cilindro e verso il basso di intensit F cos f F E a una forza diretta perpendicolarmente all asse del cilindro e vers
174. non vi sono organi che ne frenino il movimento Quindi le sole forze a cui soggetto sono le forze centrifughe generate dalla sua rotazione Per questo motivo gi prima di lanciare l analisi FEM si era consapevoli che le tensioni sul contralbero sarebbero state di bassa entit certamente inferiori al limite di fatica di un acciaio 188 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Ci su cui si concentra maggiormente l attenzione riguarda gli spostamenti e le rotazioni dei perni e come si vedr in seguito il contralbero anche al massimo regime di rotazione assunto cio 2600 RPM mantiene sui perni delle rotazioni che rientrano nei limiti previsti da VM Motori Per prima cosa grazie all integrazione tra HyperMesh e 1 software di modellazione CAD si importa la geometria del contralbero precedentemente salvata in ambiente CATIA V5 con l estensione model Cos facendo si importa in HyperMesh un modello costituito di sole superfici Il primo step prevede la realizzazione della mesh di superficie ma non prima di aver escluso con il comando quick edit toggle edge quelle linee che porterebbero ad una mesh distorta La mesh infatti si appoggia su tutte le superfici delimitate da linee a tratto continuo Come si vede in Figura 6 1 alcune linee sono tratteggiate e corrispondono proprio alle linee che non si vogliono considerare come bordi di superfici Cos facendo alcune superfici saranno pi estese di com
175. nstallazione del motore VM Motori raggiunge un elevato livello di affidabilit grazie a prove di lunga durata alle quali vengono sottoposti 1 propri motori utilizzando le moderne apparecchiature disponibili presso lo stabilimento di Cento Italia L approvazione finale dei motori culmina con una serie di impegnativi test effettuati direttamente negli ambienti di lavoro finali necessari a garantire la sicurezza e la funzionalit ed apprezzati dalla pi esigente clientela 1 3 2 1 Motori ON ROAD La gamma di motori industriali on road nasce dall esperienza acquisita da VM Motori sia nel campo industriale che in quello veicolare I motori R750 EUROV hanno avuto la loro evoluzione secondo le restrittive normative EUROVI utilizzando sistemi di trattamento e ricircolo dei gas di scarico DOC e DPF SCR con EGR raffreddata Gli stessi motori sono disponibili anche con l omologazione Stage IV per le macchine mobili non stradali Le principali caratteristiche di questi motori quali basamento a tunnel grande rigidezza flessionale e torsionale canne cilindro riportate migliore adattamento alle variazioni di temperatura punterie idrauliche minore rumorosit distribuzione ad ingranaggi elevata precisione della fase di iniezione possibilit di applicare prese di forza per pompe idrauliche sia singole che in tandem unite ad una flessibilit applicativa che sfruttando un vasto portafoglio di applicazioni specifiche completano un offerta
176. nte a aval k XF A i I AVA AVAT Tt EEAS LEANA INF ATA sa Ai TATAY ATAV INEC EAEN ENAN pi ordinata sono stati impiegati nella vaT AY Pay 4h TAT ava cx FATA PAY YATAY I a ENAREN ANEN ETETETT B BAA mesh 2D dei triangoli rettangoli AVA vay AP ANN ATETA AP AVA AVA NA xi At TAY i VANTA v A aie specialmente laddove si hanno delle A ATL FRA Ir ay AP YAVAN A appunto le madreviti In Figura 6 14 Figura 6 13 Mesh della pelle esterna vicino al cuscinetto anteriore di PPS Ae FAVAVAVATIA superfici cilindriche come sono mostrato un altro particolare della mesh della pelle esterna dove si vede la madrevite meshata con elementi triangolari rettangolari Dopo la mesh della pelle esterna si procede con la mesh della pelle interna dove non ci sono superfici particolari come per la pelle esterna La meshatura di queste superfici molto rapida e veloce In Figura 6 15 visibile la mesh della pelle interna Le due superfici rappresentanti le sedi dei cuscinetti essendo cilindriche sono state meshate con triangoli rettangoli In pi in queste zone come negli spallamenti la mesh stata infittita per permettere al solutore di giungere ad una soluzione appossimata che sia il pi vicino possibile a quella reale colare della mesh pelle esterna con madrevite F igura 6 1 4 Parti 198 Capitolo 6 Analisi s
177. nteriore e a quello posteriore PROPERTIES OF BEARINGS FRONT REAR 27 5 59 5 046 033 43 33 272 27 8 100 0 08 0013 0011 mm 045 No o MPa 59 58 mm 0 04 1710 4 00E 05 1 05 MPa am un 3 Q I De D2 O H Per quanto riguarda la verifica termica 1 due metodi si differenziano notevolmente In particolare dal calcolo del numero di Sommerfeld a quello dell incremento di temperatura AT effettivo si passa attraverso una serie di parametri la cui determinazione seguendo la norma tedesca DIN 31652 diversa da quella della teoria di Raimondi e Boyd Tuttavia prima di passare al calcolo del numero di Sommerfeld qui chiamato So necessario stabilire 1 corretti valori di viscosit cinematica e dinamica dell olio Per questa operazione si sceglie di seguire la stessa via intrapresa al paragrafo 5 5 2 cio utilizzare l equazione di Walther noti 1 valori della viscosit cinematica di un olio a due temperature diverse 179 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento possibile determinarne la viscosit a qualunque temperatura In questo modo qualunque sia il valore stimato dell l incremento AT si calcola la temperatura media AT lav Ti gt e si determinano 1 corrispondenti valori di viscosit cinematica prima e dinamica poi essenziale per determinare il numero di Sommerfeld Si ricorda che equazione di Walther assume questa espressione loglog v 0 6 Ci
178. o 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Ultimo argomento al quale opportuno dedicare un capitolo a parte l analisi strutturale realizzata con un calcolo FEM Finite Elements Methods basato sul metodo degli elementi finiti La conoscenza del comportamento sotto carico degli elementi strutturali rappresenta uno strumento fondamentale per il lavoro del progettista Per acquisire queste informazioni durante la fase di progettazione un tempo si ricorreva quasi esclusivamente all utilizzo di manuali dedicati basati per lo pi su formule empirico sperimentali La costruzione di un campione da sottoporre a test prima dell utilizzo rappresentava un passo indispensabile Tempi pi recenti hanno visto la nascita di codici di impiego generale strumenti molto potenti in grado di soddisfare il crescente bisogno delle informazioni necessarie al miglioramento dei prodotti La prototipazione virtuale ha quindi molto ridotto la necessit di ricorrere a campioni reali da testare minimizzando 1 tempi richiesti per l ottenimento del prodotto ottimale Grazie all analisi agli elementi finiti oggi possibile creare una suddivisione di un oggetto in un numero finito di elementi mesh E cos possibile ricondurre la determinazione della risposta strutturale alla soluzione numerica di un problema avente un numero finito di gradi di libert Questa procedura consente di analizzare prob
179. o controrotante che sar installato sul motore 3 cilindi Diesel R753IE4 di produzione VM caratterizzato da due cuscinetti la cui lubrificazione si esplica nello stesso modo in cui avviene per 1 cuscinetti di banco Questi cuscinetti lavoreranno in condizioni di portanza idrodinamica con la formazione di un meato d olio di spessore variabile Questi 142 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento cuscinetti operano in condizioni di carico velocit e temperatura variabili e come s1 vedr in seguito il loro dimensionamento deve essere eseguito con la massima cura 5 2 Tipologie di lubrificazione Si possono individuare cinque distinti meccanismi di lubrificazione I Idrodinamica II Idrostatica III Elastoidrodinamica IV Limite V A film solido Lubrificazione idrodinamica significa che le superfici che sostengono il carico del cuscinetto sono separate da un film di lubrificante relativamente sottile tale da evitare il contatto metallo metallo e che l equilibrio ottenuto in questo modo pu essere spiegato con le leggi della fluidodinamica La lubrificazione idrodinamica non dipende dall introduzione di lubrificante in pressione sebbene ci possa verificarsi come per 1 cuscinetti dell albero controrotante ma richiede l esistenza di un alimentazione adeguata in ogni istante La pressione del film prodotta dalla stessa superficie in moto che trascina il lubrificante in una zona convergente
180. o destra di intensit F sin p F Se si sostituisce a F il suo valore in funzione di F si ottiene F sin B gnp F tan p F Infine anche la forza centrifuga F applicata in corrispondenza del perno di manovella si scarica sul cuscinetti di banco esercitando sul basamento una forza diretta secondo l asse del cilindro e verso l alto di intensit F cosa e una forza diretta perpendicolarmente all asse del cilindro e verso destra di intensit F sina Se si cerca la risultante delle forze dirette lungo l asse del cilindro prendendo con segno positivo quelle dirette verso l alto e negativo quelle dirette verso il basso si ricava Fy F F cos Fa Fe cosa dove F F Fa La risultante in questo caso diretta verso il basso Analogamente si pu ricavare la forza risultante perpendicolare all asse del cilindro la quale diretta verso destra guardando il piano di Figura 2 5 ed ha intensit F F F sina R sina Al basamento inoltre applicata una coppia agente attorno all asse del motore di verso antiorario e di intensit E X b Dalle formule qui scritte appare evidente che la componente delle forze lungo l asse del cilindro della risultante di tutte le forze applicate dall interno al blocco motore non dipende dalla pressione dei gas come potrebbe sembrare a prima vista ma soltanto dalle forze alterne F e dalle centrifughe Fe La componente perpendicolare all asse del cilindro
181. o la gamma dei motori OFF ROAD dei propulsori a 4 e 6 cilindri con sistemi di iniezione sia elettronica Common Rail che meccanica come ad esempio 1 D 703 D 754 e D 756 96 Capitolo 1 VM Motori S p A 1 3 2 3 Motori stazionari La gamma di motori stazionari nasce dall esperienza acquisita da VM Motori sia nel campo industriale che in quello veicolare I motori sono disponibili con diverse omologazioni ed utilizzano diverse tecnologie di alimentazione sistemi di iniezione meccanici o common rail e di raffreddamento raffreddamento ad acqua o ad aria per rispondere alle esigenze di tutti 1 mercati e o applicazioni Questi motori vengono utilizzati per esempio per azionare pompe per irrigazione oO compressori anche condizioni ambientali e di lavoro particolarmente avverse 1 3 3 Il settore marino Le ingenti risorse dedicate alla ricerca e all innovazione cos come l utilizzo delle pi moderne tecnologie pongono VM Motori all avanguardia della motoristica per applicazioni marine Le attuali serie sono il risultato di questa filosofia prestazioni elevate nel rispetto dei pi severi livelli di emissione I motori prima di essere industrializzati e commercializzati quindi ancora in fase prototipale subiscono prove di lunga durata grazie all utilizzo di moderne apparecchiature disponibili nel centro di Ricerca amp Sviluppo di Cento L approvazione finale dei propulsori culmina con una serie di impegnativi test effettuati
182. o le forze centrifughe delle masse controrotanti Figura 3 23 l1 112 mm l2 58 mm P 0 453 628 317 0 011933 2134 N La struttura se si trascurano gli spostamenti assiali 1 volta iperstatica quindi si usa l Equazione dei tre momenti per calcolare le reazioni vincolari sui tre appoggi Nei sistemi iperstatici 11 numero d incognite superiore a quello delle equazioni di equilibrio Ci significa che esistono infinite soluzioni che soddisfano il sistema La soluzione esatta per solo quella congruente con le caratteristiche di deformabilit degli elementi che compongono la struttura e con 1 suoi vincoli Per risolvere un problema iperstatico le equazioni di _95 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica equilibrio non sono in numero sufficiente ed necessario introdurre delle nuove relazioni che sono fornite dalla congruenza degli spostamenti con 1 vincoli della struttura Si interrompe quindi la continuit della trave introducendo una cerniera in corrispondenza dell appoggio intermedio e si ripristina il sistema iniziale applicando in questo nodo le reazioni corrispondenti ai vincoli eliminati ovvero due momenti flettenti Figura 3 24 Figura 3 24 La reazione vincolare M deve essere tale da garantire la congruenza degli spostamenti nell appoggio 2 In effetti l introduzione della cerniera permetterebbe a due tronchi di trave contigui di ruotare liberamente l
183. o nullo fra le ruote infatti introducendo il valore di spostamento della ruota 1 la ruota 2 automaticamente calcolata come dovrebbe essere idealmente In realt per avere dei giochi sui fianchi dei denti e per fare ingranare ruote in interassi non ideali le ruote accoppiate non hanno mai 1 due spostamenti ideali Condizione necessaria affinch le ruote dentate ingranino tra loro che abbiano lo stesso modulo normale Stabilito poi l angolo dell elica che un altro parametro di input si determina anche 11 modulo trasversale e da questo il diametro primitivo nominale delle ruote dentate Dopo di ch noto il diametro primitivo la somma dei coefficienti di spostamento e 1l modulo normale mn si stima per gioco nullo sui fianchi dei denti il diametro delle teste dei denti diametro esterno per capire se con quei parametri progettuali la ruota oziosa interferirebbe con il coperchio anteriore del basamento oppure no Per prima cosa necessario che sul foglio di calcolo 1 parametri costruttivi della dentatura dell ingranaggio di rinvio centrale coincidano con quelli riportati a disegno in quanto come gi anticipato trattasi di un componente a distinta attualmente montato sul motore nelle versioni R 53IE4 61A e R753IE4 63A che non si intende modificare nella versione per albero controrotante Questo vincolo sul rinvio centrale comporter delle scelte obbligate sulla ruota oziosa come ad esempio lo Spostamento imposto funzione de
184. o pu ricavarsi come segue d L r sen da cul pe L r A SEND Tenendo presente che cos B J1 sen B J1 Asena 8 24 2 cos p yizo 1 2 2 5 Si ottiene sostituendo nella 2 1 coved 2 osa ten 2 6 A 1 2 A Il rapporto assume mediamente valori compresi tra 0 22 e 0 30 mentre il rapporto generalmente compreso nell intervallo che va da 0 a 0 045 Essendo molto piccolo quest ultimo termine introduce un effetto trascurabile nei calcoli dinamici che seguiranno per cul d ora in poi verr considerato solo il caso di manovellismo centrato Per tanto l 2 2 v 1 1 cosa tia sen a5 2 7 In Fig 2 2 stata diagrammata la 2 7 in cui si posto r 42 5 mm e A 0 24 Derivando la 2 7 rispetto al tempo si ottiene la velocit di spostamento dello stantuffo 3 Asin2a v or SIN amp 1 2 8 2 la 22 sin a 23 2 Capitolo 2 L Equilibratura m essendo S _11 rad DI oe rad la velocit angolare ed n il numero di giri al minuto del motore ana NE LL BERS 8 Silla pz ar ANNE ULI TTT TTT 60 120 ID da O gt QJ Q O a Oo ay O A Figura 2 2 Spostamento stantuffo in funzione dell angolo di manovella 1 Trascurando il termine A sen a che risulta essere assai piccolo l espressione della velocit di spostamento dello stantuffo diviene sena 3 sera vV O Sen DENZO 2 9 La ve
185. o4 Q amp T COo P rji try UV Dadil 4 ee jdt 0 02 1 E 03 1 E 04 1 E 05 1 E 06 1 E 07 2N number of reversals to failure Figure 4 7 Confronto tra le curve di Manson Coffin per alcune ghise e acciai 7 Si puo concludere che per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche sia statiche che a fatica tra le ghise sferoidali austemperate se ne annoverano alcune che possono competere molto bene con l acciaio e quindi che possono costituire il materiale con cui produrre l albero controrotante Dal punto di vista progettuale la ghisa rappresenta un vantaggio in relazione al costo del materiale al chilogrammo e al fatto che un contralbero di ghisa pesi meno di uno in acciaio vista la minor densit delle ghise che si aggira attorno ai 7100 7200 kg m Inoltre le ghise 110 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y contengono grafite che nell idea di realizzare il gruppo contro albero senza le bronzine costituisce un buon materiale per garantire la lubrificazione sui perni dell albero Cos dal punto di vista economico della densit del materiale e della lubrificazione una ghisa ADI 1200 per esempio mostra una valida e forse migliore alternativa all acciaio Tuttavia affinch anche l albero di ghisa possa raggiungere la coppia centrifuga cercata le sue dimensioni devono aumentare rispetto a quelle del contralbero in acciaio il diametro delle masse e
186. olo 2 L Equilibratura In Figura 2 8 sono rappresentati proprio questi due termini e si osserva che il secondo termine ha frequenza doppia del primo il che significa che in un dato tempo assume il valore zero e il suo valore massimo un numero di volte doppio del primo termine Le forze alterne d inerzia sono fra le pi importanti cause di vibrazioni dei motori ma il loro effetto nocivo pu essere neutralizzato completamente o in parte Forza alterna d inerzia del 1 ordine Forza alterna d inerzia del 2 ordine 0 90 180 270 360 Figura 2 8 Forze alterne del 1 e 2 ordine in funzione dell angolo di manovella 5 Le parti dotate di moto rotatorio gruppo della manovella sono soggette alla forza F m w r che rappresenta un vettore rotante costante di modulo passante per l asse di rotazione della manovella 2 2 4 Considerazioni sul rapporto gt Coi L importanza del rapporto A 7 di carattere del tutto meccanico perch non interessa le caratteristiche termodinamiche del motore C la corsa del pistone ed rappresentata in figura 2 9 Quanto minore il rapporto tanto minore la spinta laterale dello stantuffo sulla parete del cilindro il che d la possibilit di accorciare 11 mantello e quindi di ridurre la massa del pistone ma tanto maggiore diventa la massa della parte della biella soggetta a moto oe Capitolo 2 L Equilibratura alternato tanto maggiori saranno
187. ondizioni di portanza idrodinamica il film d olio risulta di grosso spessore e la lubrificazione perfetta lubrificazione in velo spesso Quando tali condizioni non si realizzano il film d olio di piccolo spessore e si verifica un contatto diretto pi o meno esteso tra le superfici del perno e del cuscinetto lubrificazione in velo sottile In condizioni di portanza idrodinamica la distribuzione circonferenziale delle pressioni nella 157 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento sezione trasversale del meato varia in funzione del gioco diametrale esistente tra il perno e cuscinetto In pratica all aumentare del gioco si riduce lo spessore minimo ho del film d olio e aumenta il valore di picco della pressione essendo il diagramma distribuito su un arco circonferenziale di ampiezza minore Figura 5 11 In Figura 5 12 rappresentata invece la distribuzione delle pressioni in direzione assiale lungo il meato La Figura 5 12 a presuppone che vi sia parallelismo tra gli assi del perno e del cuscinetto Per effetto delle fughe di lubrificazione dalle estremit laterali del cuscinetto la pressione massima in mezzeria e si annulla ai bordi La Figura 5 12 b mostra come una mancanza di parallelismo tra gli assi dovuta a deformazioni o disallineamenti porti a una distribuzione asimmetrica delle pressioni con valori di picco elevati B 2 lt AWS SA B 2 Distribuzione delle pres
188. ontrorotante FRONT REAR gimm 008 009 171 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento A questo punto si possono ritenere concluse le scelte progettuali e si procede con le verifiche che coinvolgeranno tutta quella serie di parametri dipendenti dal numero di Sommerfeld 2 uN B dove P la pressione media sul cuscinetto funzione della forza F calcolata al paragrafo 3 2 3 1 La pressione P non varia da un iterazione all altra si ricorda che il processo di verifica del cuscinetto iterativo fino a che l incremento AT calcolato non coincide con quello stimato poich dipende da F da d e da parametri che restano tutti invariati nel corso del processo iterativo La pressione media P nel cuscinetto anteriore vale Bde ed adi dl 59 5 27 5 mentre nel cuscinetto posteriore vale F 1710 15 0 80 MPa mo dl 81 265 Avendo assunto come applicazione di riferimento nella Figura 5 16 1 perni di banco di un motore Diesel tali valori di pressione appena calcolati non rappresentano una condizione di criticita ma assicurano un buon funzionamento in condizioni di portanza idrodinamica Il numero di Sommerfeld a differenza della pressione media di contatto un parametro iterativo poich direttamente proporzionale alla viscosit dinamica che varia da un iterazione all altra dato che cambia anche la temperatura media che si assume per l olio lubrificante S1 procede quin
189. ore P massa equilibratrice posteriore Figura 2 17 Motore a 3 cilindri in linea a 4 tempi Forze e coppie centrifughe 5 Equilibratura 1 Forze centrifughe Creano una poligonale chiusa e quindi sono equilibrate gt F 0 2 Forze alterne del l ordine Sono strettamente legate alle F e quindi sono di conseguenza equilibrate gt FE 0 3 Coppie dovute alle forze centrifughe L albero non ammette un piano di simmetria normale al suo asse Non si verifica perci la condizione sufficiente per l equilibrio delle coppie L entit dello squilibrio immediatamente valutabile seguendo la Figura 2 17 Risulta 80 Capitolo 2 L Equilibratura gt M V3 e 2a 3aF L asse momento di tale coppia sfasato in ritardo di 120 rispetto alla prima manovella Il piano della coppia di conseguenza sfasato in ritardo di 120 90 30 rispetto alla prima manovella La coppia agisce in senso antiorario vista dall asse momento ed equilibrabile con contrappesi come mostrato in Figura 2 20 L equilibratura ottenuta situando 1 contrappesi nel piano coassiale della coppia in modo da generare una coppia oraria con masse m di momento statico V3am r m r 2 ee l 4 Coppie dovute alle forze alterne del l ordine Essendo gt M 0 anche gt M 0 Abbiamo visto che la gt F pu essere considerata come la proiezione di una forza centrifuga in fase con la F e analogamente gt M come la
190. ornitore e a tutto quello che ne consegue Se da una parte questo modo di procedere costituisce un vantaggio in termini di risparmio economico dall altra costituisce un limite perch non lascia al progettista la massima libert esecutiva Alla fine l unico elemento di nuova progettazione non recuperabile dalle Standard Tables o da altri motori di produzione VM il tubo di gomma Il tubo di gomma stato progettato con CatiaV5 e assume la forma visibile in Figura 4 14 Questa forma scelta al fine di non interferire con l asta livello olio e permettere un suo sfilamento senza ostacoli Tutti gli altri componenti invece sono tratti dalle Standard Tables Chi governa la scelta di queste parti il diametro del foro filettato praticato sul basamento che deve corrispondere al diametro del bocchettone che a sua volta deve accoppiarsi con il manicotto e le guarnizioni in rame Il foro sul RE T E TER basamento un foro M18x1 5 e la filettatura del bocchettone selezionato nelle Standard Tables non pu che essere dello stesso tipo come si vede nella prima delle due tabelle che seguono In questa tabella stata selezionata in colore giallo la riga corrispondente al bocchettone scelto La dimensione del diametro del bocchettone ha condizionato anche la scelta del manicotto ritorno olio all interno del quale il bocchettone deve infilarsi prima di essere avvitato al basamento Come si vede nella seconda tabella il diametro interno dell
191. otante nella configurazione definitiva y Per quanto riguarda la scelta delle tolleranze da assegnare ai valori nominali di Diametro di testa e Diametro di fondo dei denti si sono considerati 1 valori nominali come limiti superiori e poi stata attribuita una tolleranza negativa diversa nei due casi ma uguale per tutte e tre le ruote Per il Diametro di testa stata assegnata una tolleranza piccola pari a 0 1 mm perch in questo modo si cerca di avere un evolvente pi lungo al fine di aumentare il ricoprimento e favorire l ingranamento tra i denti Diverso il discorso per il Diametro di fondo qui l obiettivo impedire che lo strumento che rifinisce il dente cio il rasatore vada a toccare il fondo della dentatura Per questo si impone al Diametro di fondo una tolleranza di 0 3 mm che evita il contatto Tipologie di tolleranza 11 Il Rinvio centrale mm Ruota oziosa mm pas asi Diametro interno cuscinetto 0019 Radice della somma dei quadrati Tabella 4 7 Con queste considerazioni e grazie al software KISSsoft si sono ottenuti 1 profili dei denti delle ruote rappresentati nelle immagini che seguono La legenda chiarisce a quale ruota fa riferimento ciascun profilo In grigio scuro rappresentata la circonferenza di base della ruota dentata corrispondente LEGENDA Rinvio centrale aa A Ruota oziosa 137 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione def
192. otevole rispetto alla funzione che avrebbe dovuto assolvere cio l equilibramento meccanico di una coppia centrifuga Ci che stato mantenuto tale e quale da una soluzione all altra la posizione dell applicazione sul motore e l idea costruttiva di avere un albero controrotante in rotazione sostenuto da un supporto all interno del quale si Lg d sa Ca Figura 3 1 Soluzione dell applicazione albero controrotante ree Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica realizza un circuito dove lolio pu scorrere andando a svolgere non solamente una funzione lubrificante ma anche una funzione raffreddante 3 1 1 Posizione dell albero controrotante Figura 3 2 Basamento del motore R753IE4 61A e R753IE4 63A Per prima cosa si chiarisce qual la posizione che avr l applicazione sul motore La parte principale del motore dove sono montati tutti gli altri componenti dall albero motore all albero a camme dalla pompa idraulica alla pompa del gasolio costituita dal basamento Il basamento del motore R753 realizzato in ghisa in particolare si tratta della ghisa grigia EN GJL 250 unificata secondo la norma UNI EN 1561 e avente un carico unitario di rottura a trazione pari a 250 MPa La ghisa grigia una lega Fe C Si con eventuali elementi di lega aggiunti caratterizzata dalla presenza di carbonio sotto forma grafitica in lamelle distribuite nella massa metallica che pu e
193. otori Macchine di sollevam Trasmissioni Ridurtori Macchine utensili Turbine a vapore 4 274 5 35 10 24 10 28 B 12 J 6710 35 55 412 Z 12 278 3 7 0474 14 28 20 70 10 35 812 8 14 10 12 7710 0 7 1 4 0 5 0 6 0 1 1 0 0 6 1 7 0 3 2 0 0577 0 90 14 14 70 35 2 I 3 5 0 35 35 Viscosita pi mPa s 25 30 25 J0 20 60 20 60 15 30 100 748 7 8 20 60 20 60 25 70 25 25 60 30 50 40 10 20 I Cub wn aje af afa af of sj dn sd 2414 274 5 6 1 5 72 5 1 2 1 2 50 725 10775 0 5 2 5 25 50 Figura 5 16 Valori di carico per cuscinetti a strisciamento 4 l 1 1 1 L D 16718 1 8 2 0 5 1 5 0 5 1 4 0 8 1 5 0 8 1 5 1 17125 1 2 0 6 1 5 0 8 1 5 0 8 1 5 04 2 1 3 1 7 172 0 6 1 5 0 8 1 5 0 8 1 5 0 8 1 2 1 4 1 6 1 2 1 5 1 2 253 274 133 ji Dopo la progettazione e il dimensionamento dei cuscinetti dell albero controrotante si verificher il rispetto dei criteri di Trumpler ai quali per lo spessore minimo di meato si appurera anche il rispetto del criterio di Kreisle ovvero che ho sia almeno uguale alla somma delle rugosita totali delle due superfici accoppiate metodo DIN 31652 Si ricorda anche in questa sede che per dimensionamento del cuscinetto non ci si riferisce al dimensionamento di boccole o bronzine ma al dimensionamento delle sedi dei perni rica
194. peo e a tutti quei paesi con le stesse normative ed montato sulla Lancia Thema Nella versione di 250 CV questo motore sovralimentato leader in termini di potenza coppia comfort ed emissioni Le principali caratteristiche tecniche sono sistema di iniezione a 2000 bar un doppio albero a camme in testa comandato a catena 4 valvole per cilindro EGR raffreddato basamento in CGI Cast Graphite Iron turbo a geometria variabile comandato da attuatore elettrico Figura 1 4 Lancia Thema 15 Di Capitolo 1 VM Motori S p A La versione L del motore 3 0L V6 stata specificatamente sviluppata per rispettare le stringenti normative sulle emissioni del mercato Nord Americano NAFTA In questa versione il motore eroga una potenza di 244 CV e una coppia pari a 570Nm Il motore in questa versione va ad equipaggiare 11 SUV Grand Cherokee L ultima versione del 6 cilindri denominata HP High Power ed stata progettata per la Maserati Ghibli con il preciso obiettivo di eccellere nelle prestazioni mantenendo le ottime doti in materia di emissioni e consumo carburante proprie delle altre versioni Nel 2013 1l motore visibile in Fig 5 stato interessato da una revisione da parte della casa automobilistica italiana Maserati Il centro sviluppo motori Maserati ha collaborato quindi con i tecnici VM FPT per realizzare una variante potenziata a 275 CV appositamente per essere installato nel modello Ghibli di fatto unica vettura ut
195. per il caso di massimo carico e per quello di minimo coefficiente d attrito in modo tale che si possa favorire nel progetto una delle due condizioni ma mai entrambe La zona compresa tra le due curve tratteggiate dovrebbe essere considerata posizione ottimale per un punto di progetto E stato detto che il processo di verifica di un cuscinetto a strisciamento una volta fissati tutti 1 parametri indipendenti si configura come un procedimento iterativo che culmina quando la 173 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento XN Oo temperatura di uscita dell olio calcolata eguaglia quella stimata L albero controrotante dotato di due perni e quindi due cuscinetti a strisciamento La verifica com ovvio che sia stata effettuata per entrambi 1 perni e in entrambi 1 casi sono state sufficienti tre iterazioni per arrivare a convergenza Tutti 1 punti di progetto per ciascuno dei due perni e per ciascuna iterazione si sono sempre posizionati all interno delle due curve tratteggiate di Figura 5 23 cio in quella che considerata la posizione ottimale per un punto di progetto In Figura 5 24 sono rappresentate con una croce blu e una croce rossa le condizioni di funzionmento finali al termine delle iterazioni rispettivamente del cuscinetto anteriore e di quello posteriore dell albero controrotante In seguito saranno mostrati in tabella tutti 1 valori dei parametri per ogni singola iterazione 106
196. per un acciaio questo anche perch la reazione vincolare esercitata dai supporti una forza rotante nel piano XY avente modulo pari a 1710 15 N Fotazione attorno a amp Rotazione attorno a amp ne Figura 6 10 Angoli di deflessione dei perni in esercizio 4 7 Calcolo FEM del supporto per l albero controrotante L analisi strutturale condotta per l albero controrotante stata effettuata anche per il suo supporto Si ricorda che si pensa di realizzare il supporto come un unica fusione di alluminio a cui seguono delle lavorazioni meccaniche come la rettifica dei perni a strisciamento e la fresatura delle facce che vanno ad appoggiarsi al basamento L analisi strutturale del supporto richiede maggior attenzione e maggiori accorgimenti di quella del contralbero Infatti per rappresentare la realt nella maniera migliore possibile bene considerare anche il tiro delle viti e simulare la presenza del basamento Per quanto riguarda il tipo di carico che agisce sul supporto esso costituito da due forze rotanti aventi in ogni istante stessa direzione ma verso opposto che insistono sulla mezzeria dei cuscinetti oltre ovviamente al tiro delle 4 viti che bloccano il supporto al basamento Sarebbe errato analizzare solo una condizione di carico con le forze orientate in un unica maniera perci stata lanciata l analisi strutturale per quattro diverse orientazioni delle forze in gioco 196
197. pi in moto relativo Anche la forma a V allargata del supporto pensata Asta livello olio Foro praticato sul basamento dove va avvitato il bocchettone del circuito di scarico dell olio lubrificante Figure 4 13 Particolare del basamento con foro fissaggio bocchettone circuito olio a sua volta per facilitare lo scarico dell olio verso il manicotto Il circuito dell olio costituito dai seguenti componenti e Tubo in gomma e Manicotto ritorno olio Sleeves e Bocchettone forato Pipe union avvitato al basamento nel foro indicato in Figura 4 13 117 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y e 2 Guarnizioni in rame e 2 Fascette a molla Spring hose clamps Queste parti insieme costituiscono il sistema di scarico dell olio che fluisce all interno del supporto dopo aver attraversato 1 cuscinetti Si cercato di evitare in ogni modo la progettazione da zero di qualche componente provando a realizzare un sistema di scarico olio con tutto ci che le Standard Tables potevano offrire Le Standard Tables sono delle tabelle unificate dove sono raccolti tutti 1 componenti commerciali utilizzati dalla VM Motori In questo modo non solo sarebbe pi rapido il reperimenti dei pezzi per il montaggio dei prototipi da testare ma si schivano costi ulteriori legati alla progettazione di un nuovo componente alla richiesta della fattibilit al f
198. ppoggi In queste condizioni l albero quando in rotazione genera sugli appoggi soltanto le reazioni che fanno equilibrio alla propria massa Figura 2 10 a Albero motore per monocilindro b Albero contrappesato di un motore monocilindrico 5 Anche in questo caso ci si affida ad un esempio per chiarire meglio il concetto di equilibrio dinamico La Figura 2 10 rappresenta schematicamente l albero di un motore a quattro tempi a 2 cilindri a V di 180 detto albero staticamente equilibrato perch essendo le due manovelle disposte a 180 l una dall altra 1 loro momenti statici rispetto all asse di rotazione si fanno equilibrio Facendo per ruotare l albero si crea in corrispondenza di ogni manovella una forza centrifuga Fe e poich le due forze centrifughe non sono sulla stessa linea ma agiscono ad una distanza b luna dall altra l albero soggetto a un momento F x b non equilibrato Non dunque soddisfatta la condizione di equilibrio dinamico 45 Capitolo 2 L Equilibratura Durante lo sviluppo del progetto di un motore puo verificarsi che in relazione al numero dei tempi al numero dei cilindri e alla loro posizione risulti possibile ottenere lo sfasamento regolare fra 1 cicli dei vari cilindri con diverse disposizioni delle manovelle sull albero In tal caso deve essere scelta quella disposizione che avvicina il pi possibile o raggiunge senz altro le condizioni di equilibrio statico e
199. primo ordine e ridurre notevolmente le vibrazioni del motore Rester squilibrata a questo punto solo la risultante dei momenti dovuti alle forze alterne d inerzia del secondo ordine la cui equilibratura si detto esser normalmente evitata per un motore a 3 cilindri Figura 2 20 Skid Steer Loader 2 5 2 Albero a gomiti del motore R7581E4 L albero motore in analisi realizzato in acciaio 42CrMo4 secondo UNI EN 10083 1 attraverso un processo di stampaggio a caldo si tratta di un acciaio legato da bonifica al cromo molibdeno con densit 7800 kg m e modulo di elasticit longitudinale di Young pari a 206000 MPa Il carico unitario di rottura del materiale varia tra gli 880 e 1 1030 MPa mentre il carico di snervamento tra 1 650 e gli 880 MPa Per quanto riguarda 1 trattamenti termici gli alberi a gomiti sono soggetti a una bonifica cio un processo di tempra cui fatto seguire un rinvenimento La tempra avviene con gli alberi preferibilmente appesi a 850 870 C ed seguita da un raffreddamento in olio agitato max 60 C In seguito con gli alberi nella stessa posizione di cui sopra si esegue un rinvenimento ad una temperatura tale da conferire la resistenza a cuore Per evitare deformazioni e per _ 58 Capitolo 2 L Equilibratura alberi di forma complessa il tempo di permanenza in temperatura deve essere minimo di 5h ad almeno 600 C Segue ai trattamenti termici una lavorazione di sabbiatura fine effettua
200. proiezione di un asse momento in fase con gt M sul piano coassiale perpendicolare agli assi dei cilindri Nel caso dei 3 cilindri abbiamo per una qualsiasi posizione 3 dell angolo della seconda manovella cilindro a 9 120 F m r cos 9 120 cilindro 2 9 F m r cos 9 cilindro 3 a 120 F m r cos 9 120 gt M _ aF aF m ra a cos 9 120 cos 4 120 Sviluppando l espressione fra parentesi quadre cos 3 cos 120 sen 9 sen1 20 cos 9 cos 120 sen 3 sen1 20 2sen Q x V3 i 2 ed essendo 9 9 120 langolo della prima manovella si ottiene VM J3m roasen 9 120 che rappresenta appunto la proiezione sul piano coassiale normale agli assi dei cilindri di un asse momento pari a DM o m m Figura 2 16 Risulta cos individuato il piano d azione _ 54 Capitolo 2 L Equilibratura il modulo ed il senso della coppia rotante fittizia la cui proiezione sul piano passante per gli assi dei cilindri fornisce l andamento della coppia interna Poiche 9 cos 9 90 si ha gt M J3m ro a cos A 210 quindi la coppia alterna sfasata in ritardo di 210 rispetto alla prima manovella come anche la coppia dovuta alle forze centrifughe Le considerazioni precedenti comportano che per equiparare tale coppia sono necessari 2 alberi Puno controrotante e l altro equirotante con l albero motore provvisti di masse eccentriche in
201. r l entrata dell azienda nel settore automobilistico Tali motori si presentavano con precamera raffreddati ad acqua sovralimentati e ad elevato regime di giri 4200rpm Gi a met degli anni 80 il settore automotive acquisisce grande Importanza per l azienda ed grazie ad esso che VM supera la crisi di quel periodo nel comparto motori Alla fine degli anni 80 per motivi strategici la Finmeccanica finanziaria pubblica dell IRI mette in vendita la VM che grazie ad un operazione di leverage buy out che coinvolge 1 dirigenti ed effettuata con l intervento finanziario della banca inglese Midland Montague torna ad essere un azienda privata Unico stabilimento di produzione rimane quello di Cento nel quale il settore pi importante dell azienda quello automotive A gennaio del 1990 a Milano VM presenta Turbotronic un rivoluzionario motore per auto che grazie alla sovralimentazione ed all impiego dell elettronica nel controllo del processo di combustione in grado di fornire ottime prestazioni in termini di potenza e di meritarsi l appellativo di motore pi pulito al mondo Chrysler Ford General Motors diventano clienti VM affiancandosi a quelli gi esistenti quali Alfa Romeo e Rover Nel 1995 1 tre quarti del fatturato aziendale provengono dal settore auto che continua la sua espansione in tutti 1 mercati ed in particolar modo in quello europeo Nel gennaio dello stesso anno VM viene acquistata dall
202. r la ruota oziosa con la sola differenza che mentre il supporto dell ingranaggio di rinvio fissato al basamento tramite 2 viti flangiate M8x50 Figura 4 27 per la ruota oziosa il supporto fissato al basamento tramite 3 viti flangiate M6x40 Figura 4 28 Le ragioni di questa differenza riguardano lo spazio a disposizione nel basamento per il fissaggio del supporto della ruota oziosa In questa zona il basamento presenta molte canalizzazioni per consentire all olio di raggiungere tutti gli organi e le parti da lubrificare e raffreddare Sarebbe stato molto vantaggioso poter fissare anche il supporto della ruota oziosa al basamento attraverso due viti flangiate M8 cos da avere viti uguali per 1 due perni di supporto accelerando in linea le operazioni di rifornimento materiale Tuttavia dopo attenta analisi si giunti alla conclusione che non sarebbe stato possibile utilizzare due viti M8 collocate da parti opposte rispetto al centro di rotazione per fissare la ruota oziosa e il suo supporto ma che l unica soluzione possibile poteva essere quella di utilizzare tre viti di diametro inferiore M6 disposte a stella In questo modo le viti non vanno ad avvitarsi al 135 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Figure 4 28 Ruota oziosa basamento in corrispondenza dei canali di scorrimento dell olio interferendo col circuito di lubrificazione Prima di realizzare con Catia sia
203. ra portata Q che sommata alla Q determina la portata totale Q legata alla pressione di adduzione dell olio p e alla sua viscosit dinamica u Infatti Q uguale a p Q2 ay a q2 181 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Ora non resta che definire quanto valga q e poi si potr calcolare l intera portata d olio richiesta per lubrificare il cuscinetto Per determinare q necessario definire il diametro del foro di adduzione dell olio Per entrambi 1 cuscinetti dell albero controrotante si scelto di realizzare sul supporto e sul basamento dei fori di diametro dy 4 mm q legato anche al modo in cui sar conformato internamente il cuscinetto quindi alla presenza o meno di scanalature o gole E im ral di U T w E 1 SIn Qg SIn g a 0 75 E sin 29 sin YA SIV Qg SIN Gy B ba gt p Tabella 5 1 13 La Tabella 5 1 mostra diverse possibili soluzioni per un cuscinetto a strisciamento con le corrispondenti espressioni di qp per il calcolo della portata Q Nel caso dell albero 182 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento controrotante il carico sui perni ruota insieme al contralbero stesso perci pensando di non realizzare alcuna scanalatura o gola nei cuscinetti la configurazione ad essi pi vicina quella rappresentata dalle figure 1 e 2 della tabella Allora per qz e qy valgono le s
204. rario se si guarda il motore dal lato della distribuzione perci assolutamente necessario avere due ruote dentate Una di queste costituita dal rinvio centrale che nelle versioni gi esistenti del motore R753IE4 61A R753IE4 63A ha la funzione di trasmettere il moto all albero a camme Nella versione del motore con albero controrotante il rinvio centrale mantiene il compito di trasferire 11 moto 2a Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica all albero a camme ma viene sfruttato anche come la prima di quelle due ruote dentate che necessario avere per trasferire all albero controrotante un moto rotante con verso contrario a quello dell albero a gomiti Il rinvio centrale dotato di 36 denti La seconda ruota dentata stata definita come ruota oziosa e il suo supporto fissato al basamento con tre viti Questa ruota oziosa posizionata a sinistra del rinvio centrale nella stessa posizione in cui nei motori R753IE4 61A e R753IE4 63A c una ruota dentata di rinvio che trasferisce il moto alla pompa idraulica che il cliente monta sulla presa di forza Affinch l albero controrotante possa ricevere il moto dalla ruota oziosa si monta su di esso una ruota dentata avente lo stesso numero di denti della ruota dentata che si ha sull albero a gomiti esattamente par a 25 Il sistema di fissaggio della ruota dentata sull albero controrotante costituito da una linguetta che rende solidale 1
205. re fatta graficamente costruendo 1l poligono dei vettori momento cio dei vettori di intensit uguale al prodotto delle singole masse eccentriche ridotte allo stesso raggio per la distanza del loro baricentro da un piano _ 46 Capitolo 2 L Equilibratura normale all asse di rotazione Questi vettori vanno applicati al punto d intersezione dell asse di rotazione con detto piano e diretti ognuno normalmente al piano d azione del proprio momento in un senso o nell altro a seconda del segno del momento stesso Per l equilibratura dinamica la risultante di questi vettori deve essere nulla r Figura 2 12 Costruzione dei vettori momento 5 La Figura 2 12 illustra applicata al caso di un motore 5 cilindri a 2 tempi una comoda costruzione grafica che permette la ricerca della risultante dei vettori momento A destra rappresentato lo schema longitudinale dell albero con le masse m eccentriche la traccia rr del piano di riferimento che nel punto O interseca l asse di rotazione e 1 bracci b delle singole masse rispetto a tale traccia Con questi elementi sono riportati nella figura di sinistra a partire da O ruotati di 90 in senso orario rispetto alle corrispondenti direzioni Om 1 prodotti M b m positivi ossia quelli le cui masse stanno a destra del piano di riferimento e di 90 in senso antiorario 1 negativi la risultante il vettore Mr La massa equilibrante questo momento deve trovarsi s
206. re lo spessore minimo di meato dell olio all ultima iterazione sarebbe hotim 2 Ri 2 7 5 Ra 9 um Come si vede dai calcoli all ultima iterazione ho 12 8 um gt 9 um e quindi il Criterio di Kreisle rispettato L ultima verifica vuole assicurare che le condizioni di funzionamento siano lontane dal punto di transizione tra lubrificazione idrodinamica e lubrificazione mista Nel caso dell albero controrotante poich le velocit periferiche nei due perni sono maggiori di 3 m s si adotta il seguente criterio di verifica n gt ulnr 4 5990 37 25 43 33 4 2037 34 05 43 33 4 2330 34 29 43 33 Le tabella mostra che 1 valori della terza colonna relativa ai giri al secondo del contralbero sono sempre maggiori di quelli della seconda rispettando completamente il criterio Di seguito si riportano 1 calcoli di verifica effettuati per il cuscinetto posteriore Sono state necessarie tre iterazioni per raggiungere la convergenza per l incremento di temperatura AT Il valore di primo tentativo stato assunto pari a 16 C uguale a quello scelto nella verifica del cuscinetto posteriore col Metodo di Raimondi e Boyd Il 47 finale risulta essere 8 69 C inferiore a 15 C cio al limite consentito La verifica sulla temperatura superata Iterazione 1 16 128 796 83 2390 6 3748 0 5671 0 0191 0 58 0 9234 Iterazione 2 7 46 123 728 799 22 2370 6 9009 0 5239 0 0211 0 53 0 9498 Iterazione 3 8 92 124 46 798 81 2374 6 8067 0
207. reyn in onore di Osborne Reynolds 1 reyn 6 8947 10 Pas La viscosit cinematica v viene definita come il rapporto tra la viscosit dinamica u e la massa specifica y dell olio lubrificante v Y Nel sistema SI l unit di misura della viscosit cinematica il m s Ancora tollerato l uso del centistokes cSt 2 C 1 stokes 1 S m2 1 cSt 107 Ea La viscosit dinamica e la viscosit cinematica vengono misurate mediante appositi strumenti detti viscosimetri La variazione della viscosit in funzione della temperaura dipende dal tipo di lubrificante ed esprimibile mediante l equazione di Walther loglog v 0 6 C log T C dove v viscosit cinematica cSt T temperatura assoluta K C Co costanti Conoscendo la viscosit di un olio a due diverse temperature possibile mediante un sistema di due equazioni in due incognite determinare le costanti C e Cz e ricavare il valore della viscosit a qualsiasi temperatura Precisamente si ottiene _ loglog v 0 6 loglog v 0 6 SEL log 72 log 7 C loglog v 0 6 C log T 146 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Essendo ve v le viscosit cinematiche corrispondenti alle temperature 7 e T3 Per differenziare gli oli lubrificanti in base alla loro viscosit s1 usa la classifica SAE Society of Automotive Engineers La classificazione SAE delle viscosit definisce solo
208. ri lunghezze dei cuscinetti e giochi relativi Queste grandezze sono sotto 1l controllo del progettista ma la loro scelta in particolare per diametri e lunghezze limitata dagli ingombri e dagli spessori minimi che devono essere garantiti al supporto di alluminio Per quanto riguarda 1 giochi relativi per cuscinetti di diametro 25 150 mm il rapporto w c r essendo c il gioco radiale e r il raggio assume valori tra 0 001 per costruzioni molto precise di 0 002 per costruzioni ordinarie e di 0 004 per macchine grossolane Non cambia nulla nella definizione del gioco relativo W se al posto dic e r si considerano il gioco diametrale g e il diametro del perno d 169 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Test N 13005565 Tout fuel Tin acqua Tout acqua Giri mot E E rpm 1 2 3 4 5 la ti E g MSS Conc Soot MIRA TurboSpeed Giri mot mgm rpm DO CI in de di ph Figura 5 22 Report di durata del motore R753IE4 Poil main gallery bar Figura 5 21 Pressione dell olio nella main gallery al variare del regime 170 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento La scelta del gioco ottimale tra perno e cuscinetto molto importante Giochi elevati favoriscono il raffreddamento ma possono provocare usure localizzate fenomeni di fatica e vibrazioni Teoricamente il valore ottimale del gioco aumenta con la radice quarta della velocit periferica del perno diminuisce
209. richiedono un flusso d olio minore ma si riscaldano di pi Una delle ipotesi pi Importanti fatte da Raimondi e Boyd nei loro studi che la viscosit del lubrificante rimanga costante mentre percorre il cuscinetto Ma dal momento che viene eseguito un lavoro sul fluido lubrificante durante il funzionamento la temperatura dell olio maggiore quando abbandona la zona portante rispetto a quando vi entra I grafici della viscosit indicano chiaramente che questa diminuisce significativamente con l aumento della temperatura Poich l analisi si basa sull ipotesi di viscosit costante il problema determinare il valore della viscosit da utilizzare nello studio Secondo Raimondi e Boyd la viscosit da assegnare al lubrificante durante la progettazione e la verifica del cuscinetto a strisciamento quella corrispondente alla temperatura media tra ingresso e uscita Tuttavia la temperatura di uscita dell olio non una variabile indipendente che si conosce ma un parametro da verificare al termine del progetto Per questo motivo al fine di assegnare una certa viscosit all olio si stima un incremento di temperatura rispetto alla temperatura iniziale di ingresso nel cuscinetto La temperatura di ingresso la temperatura dell olio quando viene inviato dalla pompa alla main gallery il principale 165 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento condotto ricavato nel basamento dal quale l olio raggi
210. si rendono necessarie due diverse gradazioni una per il periodo invernale e una per il periodo estivo Infatti le gradazioni a bassa viscosit non possiedono viscosit sufficiente alle alte temperature di esercizio che s1 raggiungono nel periodo estivo mentre le altre gradazioni presentano una viscosit troppo elevata alle basse temperature di avviamento nel periodo invernale Grazie all impiego di speciali additivi possibile ottenere oli multigradi le cui caratteristiche rispetto agli unigradi si possono sintetizzare in due punti essenziali Una maggiore scorrevolezza a freddo che consente pi facili avviamenti Maggiore viscosit a caldo che garantisce una migliore lubrificazione e favorisce la riduzione del consumo d olio Gli oli multigradi permettono di impiegare un solo prodotto per tutte le stagioni e il loro uso oggi praticamente generalizzato La Figura 5 4 riporta l andamento della viscosit cinemtaica in funzione della temperatura per diversi tipi di oli Le linee tratteggiate si riferiscono agli oli unigradi mentre quelle continue agli oli multigradi Per dare a questi diagrammi andamento rettilineo vengono impiegate apposite scale riportando in ascisse log 7 e in ordinate loglog v 0 6 In questo modo possibile tracciare diagrammi conoscendo le sole coppie di valori v 7 L olio lubrificante del motore R753IE4 che sar Impiegato anche per la lubrificazione e il raffreddamento dei cuscinetti dell
211. sima sul minimo spessore e sulla temperatura del film d olio Si noti che al diminuire del gioco diminuisce la pressione massima del film d olio essendo il carico meglio distribuito aumenta lo spessore minimo del meato e la temperatura dell olio tende ad aumentare In accoppiamenti troppo stretti olio all interno del cuscinetto si scalda eccessivamente la sua viscosit diminuisce e sati 4 5 B D Figura 5 14 Variazione della pressione di picco Pma dello spessore minimo ho e della temperatura T del film d olio in funzione del rapporto B D 1 lo spessore minimo del meato si riduce nuovamente Un altro importante parametro dei cuscinetti radenti il rapporto B D essendo B la larghezza utile al netto degli smussi e D il diametro del cuscinetto La Figura 5 14 mostra che a parit 159 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento di valore del prodotto B D all aumentare del rapporto B D diminuisce la pressione massima del film d olio e aumenta lo spessore minimo del meato Un aumento della larghezza B aumenta le prestazioni del cuscinetto pi che un aumento corrispondente del diametro D a condizione che ci non porti a eccessive sollecitazioni ai bordi del cuscinetto disallineamenti o a una diminuzione del flusso d olio L influenza del rapporto B D sulla capacit di carico del cuscinetto bene rappresentata dal diagramma della Figura 5 15 ricavato da dati sperimentali
212. sioni in direzione assiale a Parallelismo tra gli assi del perno e del cuscinetto b Disallineamento c Cuscinetto con scanalatura centrale Figura 5 12 Distribuzione della pressione in direzione assiale 1 La presenza di scanalature per la distribuzione dell olio nella zona interessata dalla lubrificazione idrodinamica risulta dannosa in quanto interrompendo la continuit del diagramma delle pressioni porta ad un aumento della pressione massima con maggiori gradienti di distribuzione Figura 5 12 c Infatti in questo caso la capacit portante equivale a quella di un cuscinetto di larghezza utile B 2 con un carico applicato pari alla met di quello complessivo A parit di superficie portante lo spessore del film d olio risulta pi basso nel cuscinetto scanalato che in quello senza gola Elevati valori di picco e forti gradienti nella distribuzione delle pressioni sono dannosi perch aumentano le sollecitazioni del materiale provocandone il cedimento per fatica 158 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Tra tutte le variabili che influiscono sul funzionamento di un cuscinetto a strisciamento il gioco radiale incluso tra le pi importanti g mm Figura 5 13 Variazione della pressione di picco massimo Pma dello spessore minimo ho e della temperatura dell olio T in funzione del gioco diametrale g 1 La Figura 5 13 illustra l influenza del gioco diametrale g sulla pressione mas
213. so particolarmente adatto alla fabbricazione di manufatti di forma complessa difficilmente ottenibili con altre tecnologie e di grezzi destinati a successive lavorazioni per asportazione di truciolo Il supporto dell albero controrotante per 1 motivi qui descritti ben s1 presta ad essere realizzato con questo processo tecnologico MA Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y I principali vantaggi della tecnica di fabbricazione per fusione sono versatilita rispetto alle quantita e alla complessita geometrica dei pezzi possibilita di utilizzare tutte le leghe di interesse tecnico produzione di pezzi con peso da pochi grammi a decine di tonnellate Nella progettazione di fonderia il punto di partenza per una serie di passi di progettazione dei modelli e delle anime il disegno del pezzo finito che rappresenta la soluzione finale che si vuole realizzare e deriva dalla modellazione 3 Il passo successivo prevede la scelta del piano di divisione l analisi degli spessori del sovrametallo degli angoli di sformo e dei raggi di raccordo Da queste considerazioni prende vita il disegno del pezzo grezzo Queste due fasi cio il disegno del pezzo finito e del grezzo per tutti quei pezzi che saranno realizzati con un processo di fusione sono realizzate direttamente all interno dell azienda VM Motori Lo sviluppo e l ingegnerizzazione delle fasi successive che portano alla produzione fisica
214. soluzione in ghisa sferoidale con un preciso trattamento meccanico ma questa alternativa viene abbandonata per diverse ragioni che sono descritte in seguito La scelta della ghisa come alternativa all acciaio nasce dalla possibilit di avere un albero pi leggero e dal fatto che la grafite funge da auto lubrificante e quindi ha un ruolo fondamentale nella lubrificazione dei cuscinetti senza bronzine 1 Alternativa Il primo contralbero che si modellato con Catia quello che si accoppia al supporto della soluzione beta B ovvero quella soluzione in cui il Carter integrato al supporto anteriore mentre il supporto posteriore costituisce un altro componente a s stante In pratica le due parti che costituiscono l intero supporto si chiudono avvolgendo l albero al loro interno La forma dell albero in questa prima configurazione molto semplice un anima cilindrica di diametro 30 mm collega il perno anteriore a quello posteriore e su quest anima sono riportate due masse eccentriche che danno la coppia voluta Si pensa di realizzare 11 contralbero con un processo di stampaggio a caldo seguito da alcune lavorazioni meccaniche tra cui una delle pi importanti la rettifica dei perni dei cuscinetti sui quali si prevede una rugosit media aritmetica R 0 6 Nella Figura 4 1 rappresentato l albero controrotante nella prima alternativa studiata 104 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella co
215. ssere a struttura ferritica se il grado di grafitizzazione pressoch totale ferritico perlitica o perlitica al ridursi del grado di grafitizzazione La ghisa grigia presenta buone caratteristiche di colabilit e di lavorabilit alle macchine utensili grazie alla presenza della grafite che interrompe il truciolo e agisce da lubrificante solido Queste due propriet sono importantissime in quanto 1 basamenti dei motori VM giungono in azienda dalla fonderia in configurazione grezza e successivamente sono sottoposti ad un sa Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica ciclo di lavorazioni eseguite proprio all interno degli stabilimenti di Cento Un numero elevato di lavorazioni e una loro difficolta realizzativa contribuiscono all aumento dei costi e di conseguenza all aumento del prezzo finale del motore E quindi molto importante che il basamento del motore R753IE4 nella versione con albero controrotante sia il piu simile possibile al basamento che si ha nelle altre due versioni del motore ovvero la R753IE4 61A e la R753IE4 63A visibile in Figura 3 2 Figura 3 4 Vista frontale lato distribuzione del Figura 3 3 Vista laterale lato collettori dell aria del basamento del motore R753IE4 61A basamento del motore R753IE4 61A Nelle Figure 3 3 e 3 4 sono rappresentate due vedute del basamento utili per capire dove si pensato di far alloggiare l albero controrotante con il suo supporto
216. stanti in cui si verifica il contatto diretto tra le superfici ma capace di sopportare la pressione che direttamente o tramite il lubrificante si esercita su di esso I cuscinetti sono pertanto costituiti da un sottile strato di materiale metallico antifrizione di spessore variabile da 0 2 fino a 1 mm riportato su un supporto rigido chiamato guscio generalmente di acciaio Il cuscinetto pu essere costruito in un unico pezzo tubolare e in questo caso viene detto boccola oppure costruito in due pezzi semicircolari tra loro accoppiati che vengono chiamati semigusci o bronzine Nel caso in esame cio l albero controrotante l obiettivo primario della progettazione prevedeva l eliminazione delle boccole e la possibilit di avere un perno di acciaio rotante in una sede di alluminio lubrificata Anche se in questo caso non ci sono le boccole si realizza comunque la condizione di funzionamento nota col nome di lubrificazione idrodinamica quindi 1 diametri dei supporti verranno studiati e dimensionati come se fossero veri e propri cuscinetti radenti I cuscinetti sono rappresentati dal supporto stesso di alluminio quindi sono entrambi paragonabili a una boccola cio un cuscinetto in pezzo unico a Distribuzione circonferenziale delle pressioni a Gioco diametrale ridotto b Gioco diametrale elevato Figura 5 11 Distribuzione circonferenziale delle pressioni in un cuscinetto a strisciamento 1 Quando si verificano le c
217. stata vicino in questi anni sostenendomi sempre nelle mie scelte e aiutandomi a superare i momenti di ansia e sfiducia nelle mie possibilit 212 Bibliografia e Sitografia 1 Bocchi G Motori a quattro tempi Ulrico Hoepli Editore Milano 1987 2 Beauchamp T First Report on Friction Experiments in Proc Inst Mech Engrs 1883 pp 632 659 3 Chirone E Tornincasa S Disegno tecnico industriale Edizioni il capitello Torino 1996 4 Chirone E Vullo V Cuscinetti a strisciamento Levrotto amp Bella Torino 1979 5 Giacosa D Motori endotermici Ulrico Hoepli Editore Milano 2000 6 Manuale dell Ingegnere Meccanico 2 ed Ulrico Hoepli Editore Milano 2005 7 Meneghetti G Ricotta M Masaggia S Atzori B Comparison of the low cycle and medium cycle fatigue behaviour of ferritic pearlitic isothermed and austempered ductile irons in Fatigue amp Fracture of Engineering Materials amp Structures 2013 8 Raimondi A A Boyd J A solution for the Finite Journal Bearing and its Application to Analysis and Design parti I II e III ASLE Transactions vol 1 n 1 in Lubrication Science and Technology Pergamon New York 1958 pp 159 209 9 Reynolds O Theory of Lubrication parte I in Phil Trans Roy Soc 1886 10 Shigley J E Budynas R G Mischke C R Progetto e costruzione di macchine 2 ed The McGraw Hill Companies Milano 2009 11 Strozzi A
218. stenza della dentatura degli ingranaggi Dovendo controllare contemporaneamente 3 ruote dentate 1 fogli di calcolo su cul si appoggia il dimensionamento sono due Ciascun foglio di calcolo presenta 7 diverse schermate in cui si analizzano rispettivamente Geometria Resistenza Misura tra le sfere Profilo dente ruota 1 Grafica ruota 1 Profilo dente ruota 2 Grafica ruota 2 L utente per ciascuna schermata del foglio Excel deve solamente inserire 1 valori di input nelle caselle opportune evidenziate con colori particolari Geometria In questa schermata si realizza il calcolo dei principali dati geometrici delle due ruote che ingranano I dati di input da inserire nelle caselle gialle del foglio Excel sono 124 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Interasse di funzionamento nominale Modulo normale m Angolo di pressione normale a Angolo dell elica P sul diametro primitivo nominale Coefficiente di Addendum dell utensile ho Coefficiente di Arrotondamento della testa dell utensile ro Numero di denti delle due ruote Larghezza della fascia di ingranamento Spostamento imposto alla ruota 1 Ribassamento di testa delle due ruote Numero di denti per la misura cordale delle due ruote I dati di output si dividono in due classi quelli generali per l ingranamento e quelli che si riferiscono a ciascuna singola ruota Nella prima c
219. sti con il comando Tool mask met degli elementi tetraedrici della mesh solida di volume del supporto FEF I LI N a i SRELE EITT ENSS il Figura 6 21 RBE e forza applicata al cuscinetto anteriore del supporto nel CASO I Gli ultimi passaggi prima di lanciare la soluzione sono la definizione dei materiali e del tipo di analisi che sar anche in questo caso come per il contralbero un analisi elastica lineare Per il modello creato 1 materiali da definire sono due alluminio per il supporto e ghisa per il basamento Il basamento di ghisa grigia EN GJL 250 mentre il supporto di alluminio EN AC 43100 UNI EN 1706 La tabella sottostante riassume le principale propriet meccaniche del due materiali pu E MPa p kg mm Rm Mpa Rpo2 MPa Ghisa grigia 110000 0 26 7 2 10 260 fo 203 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti Le forze che agiscono sui cuscinetti con l albero in esercizio sono forze rotanti ma l analisi stata fatta per il sistema fotografato in 4 diversi istanti e considerando per ciascun istante le forze come carichi statici Come si pu constatare gi osservando l entit delle forze il carico dovuto al tiro sulle viti ha un effetto preponderante sullo stato tensionale del supporto rispetto alle forze sui cuscinetti che nascono come reazione alla coppia generata dall albero in esercizio Infatti plottando in Figura 6 22 6 25 le tensioni di von Mises
220. sto della realt aziendale Il motore oggetto dello studio chiamato R753IE4 ed un motore Diesel tre cilindri industriale attualmente prodotto dalla VM Motori per applicazioni trattoristiche La volont dell azienda quella di fornire ai clienti una versione pi evoluta del motore esistente che possa equipaggiare macchine operatrici industriali come ad esempio Skid Steer Loader e mini escavatori Il motore cos come si presentava non poteva essere montato su questi mezzi poich trattandosi di un tre cilindri per sua natura molto squilibrato Da qui l idea di realizzare una nuova versione del motore provvisto di un albero controrotante dotato di due masse eccentriche capaci di generare una coppia bilanciatrice La tesi strutturata in 6 Capitoli ciascuno dei quali tratta un argomento in particolare ma sono in qualche modo collegati gli uni agli altri Nel primo Capitolo stata descritta l azienda il contesto in cui opera e sono stati descritti con qualche dettaglio interessante le gamme dei motori sia industriali che per auto Il secondo Capitolo tratta l equilibratura dal punto di vista teorico e definisce il grado di squilibrio del motore R753IE4 in termini di forze e momenti Nel Capitolo 3 stato analizzato il vecchio progetto aziendale dell applicazione e sono stati valutati tutti 1 possibili interventi di modifica al fine di ridurre 1 costi e 11 numero di componenti Il Capitolo 4 descrive in dettaglio il progetto de
221. t LTT en 4 AH E AEE i GaGeS FEHER EEN N kat 25 DATO qu He neanzz ig meet AR ts E TTI TORRI TTI TITTI 3 nai z aa PEAMEHE RPI HUN BAGA EEN HA S KEETE HE se E Bi Sabai EEA m EE pasifim mansioni tilt manatee I n Beecresr FRATE PENR ea p p ep wu 4881 2 Rs Ge pr ma SS dat ii Anan _ _toepoiegelda I CULESEGLILIO eee BEE Pee o A a TL mate BES fo Tih HHH ttt Batt Pettit ITER Matt EENEN mea siti HIF itii EEH Hn Trana benin HH EII ea itep I LERIN Ra i FREE a fet np RIESGO Letter ALT eats AAC y a timit ft shit fi aa tai LTL Er AA apy duana aamen I FE SEES 3 ty mes REDS ioe tn Ag Bu us i DA wifi iliim meseeritii ht BLT Lhe terrin tt eE bitii Deas sien i a een e pinna i 55 RISE ETTI LLA Ht TAT TIZIO MER ESRI ESPERTA HH Sri E EREEREER A BESEER M JEET a E hE EE E i i a INDI EE i i RESGRLELIi dm manana Hitt HE ui parer ean enriin tt tor sE I i sot PERRE cele Fed iti A ATER men nena ie et a AA Rit nh at CTR Seas itil At HEAT I 0 ri LL iL TAERE T ne we 100 E i TI ee aes 1 dici L md SE RETE se Sara eee he 0 001 a0 004 0 06 ai 02 04 06 0810 2 t 6 10 2 Numero caratteristico del cuscinetto S HM Figura 5 25 Diagramma del parametro di portata 8 175 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento booi nap mi e a ee ta sarg TT 0 9 m i 4 0 8 ui TITEN Pd i 1 gt i 7 ene N i Sesstaie j la 06 co
222. ta in modo da eliminare qualsiasi traccia di ossido calamina presente L albero costituito da 6 maschette inclinate fra loro di 120 a 2 a 2 sono solidali con 1 perni di banco e con quelli di biella Figura 2 21 il raggio di manovella cio la distanza tra l asse di rotazione e quello dei perni di biella su di un piano normale allo stesso asse di rotazione di 53 5 mm e l interasse fra 1 singoli cilindri di 112 mm Nei calcoli si assumer che l albero ruoti con una velocit angolare di 2600 giri al minuto che rappresenta il suo regime massimo di rotazione in corrispondenza al quale massimo anche il momento risultante dovuto alle forze alterne d inerzia del 1 e del 2 ordine Figura 2 21 Albero a gomiti del motore R753IE4 2 5 3 Analisi dei fattori squilibranti Come si visto nel capitolo precedente 1 fattori squilibranti che si generano all interno di un motore sono 1 Forze centrifughe Coppie dovute alle forze centrifughe Forze alterne d inerzia del 1 ordine Coppie dovute alle forze alterne del 1 ordine Forze alterne d inerzia del 2 ordine NON VU A W N Coppie dovute alle forze alterne del 2 ordine _ 59 Capitolo 2 L Equilibratura Come stato spiegato in precedenza le risultanti dei 3 sistemi di forze punti 1 3 e 5 nei motori a 3 cilindri risultano nulle Ci concentreremo quindi ora nel calcolo delle coppie dovute alle forze centrifughe e all
223. te il raccordo e il fondo del dente I relativi dati di calcolo sono visibili nella schermata Grafica ruota 1 E raffigurata la scala cos si possono visualizzare immediatamente le reali dimensioni del dente Il limite di questa schermata l impossibilit di visualizzare il dente in 3D inoltre non possono essere considerate eventuali correzioni del profilo 133 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Nelle figure che seguono sono rappresentati 1 profili dei denti delle tre ruote dentate in questione due delle quali almeno una volta giocano il ruolo di ruota 1 mentre l ingranaggio del contralbero compare solo nel secondo foglio di calcolo sotto il nome di ruota 2 In Figura 4 24 raffigurato il dente dell ingranaggio di rinvio centrale in Figura 4 25 quello della ruota oziosa e in Figura 4 26 il dente della ruota dentata ricavata sull albero controrotante if 4i 1 0 1 Figure 4 26 Dente ingranaggio del contralbero 4 5 2 Calcolo delle dentature con KISSsoft Tutti 1 dati rappresentati fin qui nelle tabelle si riferiscono ad un primo dimensionamento di massima eseguito considerando 1 valori nominali dei due interassi senza alcuna tolleranza In 134 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y realt ciascuno dei due interassi caratterizzato da un certo valore del
224. te e rifinite una superficie in acciaio lavorata di rettifica dopo un trattamento di tempra a induzione pi adatta a lavorare con elevate velocit periferiche 111 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Material 1 20 Cr Ni 4 UNI 8550 Material 2 Austempered Ductile Iron 1200 Weight 7 4 Kg Weight 7 056 Kg Figure 4 8 Peso dell albero controrotante in ghisa e in acciaio Altro aspetto interessante da tenere in considerazione riguarda 1 trattamenti termici l austempering praticato direttamente sul grezzo e questo da un lato comporta un risparmio sui costi di processo dall altro lato sconveniente per le propriet meccaniche che si vogliono ottenere sui perni Infatti in questo modo difficile mantenere tutta la superficie alla stessa velocit di raffreddamento e avere un risultato omogeneo come quello che si ottiene con la tempra a induzione Il raffreddamento una fase molto importante durante la quale si porta il componente alla durezza desiderata ma se le velocit di raffreddamento sono diverse si avr una durezza non omogenea sul componente Un altra differenza riguarda 1 tempi e 1 risultati delle lavorazini meccaniche sui perni Per l albero in ghisa la lavorazione di sgrossatura dei perni segue il trattamento di austempering dell albero grezzo con la sgrossatura si asportano delle quantit irregolari di materiale 2 3 mm e la durezza che resta sui pern
225. teriore fissato al basamento in quella zona dove per le versioni 61A e 63A si ha la P D F mentre il supporto posteriore tenuto conto della lunghezza del contralbero e del fatto che il contralbero deve ruotare mantenendosi perfettamente parallelo all albero a gomiti montato sul basamento in una zona vicina al volano verso la fine del fianco del basamento I due supporti sono stati pensati in ghisa grigia EN GJL 250 lo stesso materiale di cui fatto il basamento mentre il carter essendo una lamina sottile spessa non pi di 4 5 mm stato pensato di alluminio in particolare 1 UNI EN 1706 AC Le immagini seguenti mostrano la forma dei componenti dell applicazione fin qui descritti Albero controrotante e supporti costituiscono gli elementi principali dell applicazione A questi si aggiunge una serie di componenti che svolgono funzioni di tenuta e scarico dell olio lubrificante guarnizioni O Rings tubi e manicotti funzioni di trasferimento del moto ruota dentata funzioni di posizionamento rasamento del contralbero e funzioni di sostegno viti e bulloni Albero controrotante della soluzione a 80 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Supporto anteriore per la soluzione a Supporto anteriore per la soluzione a Carter per la soluzione a 81 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica Il numero di questa seconda serie di parti d
226. ti in corrispondenza dell appoggio intermedio 2 Si pu scrivere L Pl l L Pl l Li yp PEG _ _La y Ph B o SEJ 6EJ OL _ 3EJ 6EJ kL Considerando E e J costanti per tutta la lunghezza della trave il denominatore sparisce quasi completamente e risolvendo per M si trova ls M 2p p Si 15 _ 44224 02 Nmm 44 224 Nm 1 1 Con le equazioni di equilibrio dei momenti e delle forze si trovano le reazioni vincolari _97 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica My _ 710 25 N l1 F 2P 2F 2847 5 N Ora che si conoscono le reazioni vincolari sugli appoggi e quindi le forze che generano sui cuscinetti le masse controrotanti si possono valutare la pressione media p e l indice di smaltimento del calore W per il cuscinetto intermedio e per 1 cuscinetti di estremit uguali da questo punto di vista La Tabella 3 2 mostra il calcolo della pressione media sui cuscinetti delle masse controrotanti del motore R754IE4 note le forze calcolate precedentemente con l Equazione dei 3 momenti MASSE CONTROROTANTI R7541E4 Pressione di contatto media Fperno Forza radiale sul cuscinetto A Area diametrale 2r L Pmedia Fperno A CENTRALE ESTREMITA Fperno 2847 5 710 25 Diametro perno 24 24 Lunghezza 21 21 A diametrale 504 Pmedia 5 65 Tabella 3 2 Sui cuscinetti all estremit la pressione contenuta entro 1 valori limite mentre sul cuscinetto interm
227. to Il progetto di ciascuno dei tre contralberi illustrati e descritti avvenuto con lo stesso principio di base cio il controllo della coppia centrifuga generata dall albero in rotazione 107 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Nel file di progetto CatiaV5 sono stati costantemente monitorati 1 pesi delle masse eccentriche le distanze dei loro baricentri dall asse di rotazione utili al calcolo dei momenti statici e le distanze longitudinali di questi baricentri da un piano di riferimento utili al calcolo dei momenti centrifughi Il piano di riferimento selezionato ortogonale all asse di rotazione e passante per la mezzeria del contralbero Moltiplicando 1 momenti centrifughi per la velocit angolare si ottiene la coppia bilanciatrice del contralbero in Newton metro In Figura 4 6 sono mostrate le masse eccentriche isolate rispetto al modello complessivo del contralbero Figure 4 6 Masse eccentriche isolate dell albero dell alternativa 3 La Tabella 4 1 mostra 1 pesi delle masse eccentriche del contralbero e le quote fondamentali per il calcolo della coppia centrifuga generata Si vede che l albero cos com stato progettato in grado di generare una coppia di 572 9 Nm come richiesto nel Capitolo 2 per una velocit di rotazione del motore di 2600 RPM Descrizione della grandezza 2 691 2 688 kg Massa rotante singola 77 671 75 968 Distanza baricentro
228. to di lubrificazione regolata da un apposita valvola riduttrice che scarica l olio inviato in eccesso dalla pompa Essa pu essere direttamente applicata nel corpo della pompa e in tal caso ricircola in aspirazione lolio in eccesso Quando invece inserita nella canalizzazione principale essa scarica lolio nella coppa La pressione dell olio al regime di potenza nominale pu essere regolata tra 3 e 7 bar 0 3 0 7 MPa in funzione del tipo di motore del regime di rotazione e della resistenza del circuito di lubrificazione Quando lo smaltimento di calore attraverso la coppa insufficiente per raffreddare l olio lubrificante viene applicato un apposito scambiatore generalmente inserito dopo la pompa di mandata Lo scambiatore pu essere aria olio oppure pu utilizzare lo stesso fluido refrigerante del motore 141 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento La capacit dell impianto di lubrificazione dipende dalle dimensioni del motore del filtro delle condutture e dalla presenza o meno dello scambiatore Mediamente essa si aggira sui seguenti valori specifici Impianti con coppa Motori per veicoli leggeri 0 07 0 14 dm KW Motori per veicoli pesanti 0 14 0 21 dm KW I valori inferiori si riferiscono a motori provvisti di scambiatore per il raffreddamento dell olio In questo caso la temperatura dell olio praticamente indipendente dalla capacit del sistema I principali fattori che
229. to esso ha due vie di scarico olio una data sempre dal supporto seppur con un inclinazione minore di 45 e una costituita dalla parte anteriore dove si trova il coperchio della distribuzione di ingranaggi Figura 3 17 Supporto in pezzo unico per la soluzione y 3 2 3 Studio dei cuscinetti eliminazione delle boccole Fino a questo momento si sempre pensato di realizzare un albero destinato a ruotare su due cuscinetti a strisciamento come quello di Figura montati sul supporto In questo caso non necessario avere un cuscinetto costituito da due pezzi semicircolari tra loro accoppiati bronzine come si ha per 1 cuscinetti di banco dell albero a gomiti e 1 cuscinetti di biella ma possibile montare sul supporto due cuscinetti costituiti da un unico pezzo tubolare detti boccole I cuscinetti permettono la lubrificazione degli organi in moto relativo creando un film d olio che impedisca il contatto diretto tra le parti accoppiate L olio lubrificante inoltre _ 90 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica raffredda le superfici dei cuscinetti mediante un adeguato flusso d olio e asporta dai cuscinetti 1 prodotti dell usura Sebbene la funzione di questi cuscinetti sia fondamentale e Imprescindibile la loro presenza nel progetto implica dei costi ulteriori Tali costi sono legati al materiale ma soprattutto al fatto che il bronzinaio dovr realizzare delle boccole dedicate all al
230. tolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica 3 2 1 Ruota dentata sul contralbero La prima modifica alla soluzione a riguarda la ruota dentata dell albero controrotante La soluzione a presenta una ruota dentata che viene realizzata a parte rispetto all albero e poi montata attraverso una linguetta che la vincola all albero Due dadi esagonali bassi avvitati successivamente sul contralbero impediscono alla ruota dentata di sfilarsi Una scelta di questo tipo prevede che ci siano alcuni componenti commerciali da acquistare esternamente come linguetta e dadi esagonali e un componente che dev essere prodotto su specifiche VM da un fornitore esterno cio la ruota dentata L alternativa sviluppata per la ruota dentata basata sull idea di realizzare la dentatura di pezzo direttamente sull albero controrotante La forma dell albero grezzo sar tale da poter realizzare direttamente sull albero nella posizione desiderata la dentatura elicoidale con un utensile creatore Questa soluzione consente di risparmiare in termini di numero di componenti in quanto non sarebbero pi necessari linguetta e dadi esagonali ma anche di conseguenza in termini economici Con quest alternativa il tempo di assemblaggio della sola applicazione albero controrotante che da decisione aziendale sarebbe commissionato al fornitore dell albero o del supporto le due strutture principali dell applicazione si ridurrebbe delle attiv
231. trutturale agli Elementi Finiti Figura 6 16 Mesh della pelle interna Componendo la mesh della pelle interna e di quella esterna si ottiene la mesh completa 2D mostrata in Figura 6 16 Da qui si parte per realizzare la mesh tetraedrica 3D La buona riuscita di quest ultima dipende come gia visto per la mesh del contralbero dalla cura e dalla precisione con cui si realizzano le mesh delle pelli AA AAA AA ete AAA EAA ag AN ra LEVIAA TOSI Patata AA Figura 6 15 Mesh completa 2D del supporto del contralbero La fase successiva riguarda l imposizione dei vincoli e dei carichi al modello I vincoli sono gli stessi per tutti e 4 le condizioni di carico che analizzate mentre il verso delle forze cambier da un analisi all altra Le sole forze che non cambiano sono quelle dovute al tiro sulle viti Dopo il serraggio le viti sono sottoposte a un carico di trazione il tiro appunto ma la testa delle viti agisce sulle lamature del supporto con un forza che genera delle tensioni di compressione Queste forze sono uguali in modulo e nota la coppia di serraggio possibile 199 Capitolo 6 Analisi strutturale agli Elementi Finiti risalire all entita di questo modulo Per delle viti M10 la coppia di serraggio prevista da normativa VM di 45 Nm CALCOLO DEL TIRO VITE Coppia di serraggio 5 Diametro esterno filetto Passo Diametro medio filetto Coefficiente d attrito 0 12 u Tiro
232. tura nell intervallo 120 140 C per determinare la viscosit alla temperatura media Tay 167 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento Cos per determinare la viscosit dell olio SAE 10W 40 alla temperatura media T si seguita la stessa strada intrapresa nella verifica dei cuscinetti a strisciamento secondo la norma tedesca DIN 31652 e il libro Bocchi Motori a quattro tempi Infatti nota la viscosit di un olo a due temperature diverse possibile conoscere la viscosit a qualsiasi 10 Viscosit assoluta mPa s a 40 50 60 70 COCO Temperatura C 30 10 20 Figura 5 19 Viscosit assoluta in funzione della temperatura per oli unigradi SAE 8 temperatura come specificato gia nel paragrafo 5 3 La viscosit si determina dall equazione di Walther loglog v 0 6 C log T Co Le costanti C e C2 si determinano note le viscosit dell olio a due temperature diverse Nella scheda dell olio lubrificante del motore VM R753IE4 Figura 5 20 sono indicati 1 valori della viscosit cinematica a 40 e 100 ed cos possibile valutare le costanti C e C3 Entrando con T T nell equazione di Walther si determina la viscosit dell olio alla temperatura media che pur sempre una temperatura di primo tentativo frutto di una prima stima dell incremento AT di temperatura tra ingresso e usc
233. ull asse di rotazione con le opportune forature si possono ritenere equilibrati staticamente e dinamicamente Le cose cambiano invece per gli alberi a gomiti dei motori a 3 e 5 cilindri In questi casi non mai possibile ottenere un albero nudo equilibrato dinamicamente oltre che staticamente e questo perch le maschette sono state progettate con del contrappesi integrati Se l albero non avesse dei contrappesi sulle maschette della prima e della terza manovella si avrebbero delle forze centrifughe concentrate al centro del perno di manovella le cui coppie non sarebbero equilibrate Si immagini di avere un albero con tre manovelle tutte uguali alla manovella di Figura 2 26 In questa condizione ci si sta riferendo all albero nudo senza 11 sistema di imbiellaggio Un albero di questo tipo sarebbe equilibrato staticamente ma non dinamicamente Figura 2 26 Seconda manovella dell albero a gomiti per il motore R753 Infatti per equilibrare la coppia dovuta alle forze centrifughe per 11 momento dovute solo alla natura delle manovelle si visto che necessario avere sull albero dei contrappesi inclinati di un angolo di 210 rispetto alla direzione del perno di manovella misurato con verso opposto a quello di rotazione dell albero Fin qui anche per l albero a gomiti di un motore a 3 cilindri si procederebbe all equilibratura senza applicare alcuna massa ai perni di manovella 67 Capitolo 2 L Equilibrat
234. ulla normale per O ad Mr con valore e segno tale che il suo vettore mo mento risulti uguale e contrario ad Mr Se il piano di riferimento scelto esterno all albero 1 vettori risultano tutti dello stesso segno e le rotazioni dei vettori M sono tutte nello stesso senso se invece passante per il baricentro di una massa eccentrica il vettore momento di tale massa si annulla sde Capitolo 2 L Equilibratura 2 3 2 Equilibratura delle forze alterne del 1 ordine Come gia abbiamo visto le forze alterne sono espresse dalla relazione F Fi FJ maw r cosa Acos 2a e sono costantemente dirette lungo l asse del cilindro Figura 2 13 Forza alterna del 1 ordine 5 Consideriamo un cilindro singolo Figura 2 13 La forza alterna del 1 ordine Fa pu essere considerata come la proiezione sull asse del cilindro di una forza centrifuga fittizia m w r generata da una massa m pari a quella delle masse alterne immaginate concentrate sul perno di manovella Quindi anche questa forza alterna pu essere equilibrata con 1 mezzi gi usati per le forze centrifughe Infatti dalla Figura 2 14 a appare chiaro che la forza alterna Fa pu essere equilibrata dalla componente verticale della forza centrifuga m w r_ prodotta da una massa di momento statico mgr aggiunta sull albero in opposizione al perno di manovella In questo modo per nasce un altra forza pari a Fo Mqw r sin a diretta normalmente a
235. una maggiore sicurezza a bordo 1 4 Progettazione ricerca e sviluppo I motori VM per tutti 1 settori vengono progettati e sviluppati all interno dell azienda stessa in un ottica di sinergia La fase di progettazione supportata da strumentazioni informatiche all avanguardia come ad esempio 1 sistemi CATIA e ProEngineer destinati al disegno ed alla modellazione 3D la fase di sviluppo e test delle nuove soluzioni affidata al reparto Esperienze che in grado di svolgere prove ed analisi su banchi fissi e a rulli su strada ed in ambienti estremi L azienda investe in ricerca e sviluppo circa il 5 del fatturato E proprio in questi reparti che viene creato il know how e nascono 1 prodotti su progetto totalmente indipendente Il reparto R amp D si occupa dei motori e delle loro applicazioni cooperando con 1 clienti fino al minimo dettaglio per assicurare una perfetta integrazione fra motore e utilizzatore supportando il cliente nella gestione delle interfacce fino alla produzione Pi di 200 tecnici costruiscono qui il futuro della VM Motori Dalla progettazione alla validazione finale attraverso 1 vari step della pi moderna metodologia progettuale e Progettazione di base e di dettaglio di nuovi prodotti di totale propriet intellettuale e Ricerca avanzata per essere sempre all avanguardia e anticipare le esigenze del mercato e Attivit di benchmarking e Costruzione e caratterizzazione di prototipi di motori
236. unge la maggior parte dei punti del motore da lubrificare Tutti 1 motori realizzati in VM vengono testati su dei banchi prova nel reparto di Durata dell Area Research amp Development e un report finale documenta le performances e il comportamento dei motori durante le ore di funzionamento a banco Tra tutte le informazioni relative al motore che si leggono sul cosidetto Report di durata si legge anche la temperatura dell olio nella main gallery La Figura 5 17 mostra come si presentano 1 fogli che costituiscono un Report e in particolare quello contenente le info sulla temperatura di ingresso dell olio Alla voce Toil evidenziati da un riquadro rosso sono indicati i diversi valori della temperatura dell olio nella main gallery al variare del regime del motore La condizione pi Test N 1005565 Giri mot T T i Tout fuel Tinacgua Tout acqua Giri mot rpm T BE C EC n BE rpm 1 3 3 4 5 6 T B Delivery HR calce M55 Conc Soot MIRA TurboSpeed Giri mot mmalstr mgim3 rpm Figura 5 17 Report di durata del motore R753IE4 critica corrisponde al motore in funzionamento a 2500 2600 RPM dove la temperatura dell olio raggiunge 118 7 C In Figura 5 18 si vede l andamento della temperatura d ingresso al variare del regime di rotazione del motore Nel progetto e verifica dei cuscinetti secondo il Metodo di Raimondi e Boyd si assunta una temperatura di ingresso pari a 120 C in vantaggio di sicurezza 1
237. unica fusione in sabbia di alluminio EN AC 43100 in cui l albero pensato inserito dal foro che costituisce la sede del cuscinetto posteriore e quindi inserito da dietro Per ragioni di montaggio il diametro del perno posteriore del contralbero deve essere maggiore _ 89 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica del diametro delle masse controrotanti eccentriche dell albero stesso Apparentemente questa soluzione visibile in Figura 3 15 sembra realizzabile ma deve essere verificata dal punto di vista della resistenza del materiale e della fattibilit costruttiva La zona di colore arancione visibile in figura rappresenta l anima della fusione di alluminio in questo caso sabbia A differenza delle altre versioni del supporto fin qui descritte e rappresentate dalle immagini nella soluzione y stato modificato anche il sistema di scarico dell olio Poich lolio arriva in pressione ai due cuscinetti nel caso del cuscinetto posteriore si pu pensare di scaricare l olio solamente dal lato anteriore del cuscinetto spostando il manicotto per il montaggio del tubo in gomma di scarico il pi vicino possibile proprio al cuscinetto posteriore In questo modo dal cuscinetto al manicotto di scarico il supporto inclinato di 45 ed garantito lo scarico dell olio anche nel caso in cui l escavatore si trovi a lavorare in posizione inclinata Lo stesso problema non c per il cuscinetto anteriore in quan
238. uno rispetto all altro mentre nel sistema reale gli stessi tronchi di trave sono collegati attraverso un vincolo di continuit che impone l uguaglianza delle rotazioni Per cui per la congruenza si deve avere 0 0 02 02 Fi FX f Figura 3 25 Questa ultima l equazione di congruenza che sommata alle due di equilibrio ci consentir di risolvere il problema una volta iperstatico Il sistema simmetrico caricato in maniera simmetrica e quindi le reazioni vincolari F e F P M sono uguali vi gt E Bisogna trovare quindi le relazioni che esprimono le rotazioni di un singolo tronco di trave sotto il carico dato e sotto l incognita Iperstatica o meglio bisogna valutare come si deforma una trave appoggiata soggetta ad un carico concentrato e ad un momento applicato Figura 3 26 _ 96 Capitolo 3 Analisi preliminare e possibili interventi di modifica ad una sua estremit Figura 3 26 La rotazione 02 cos come la 02 pu essere ottenuta per sovrapposizione degli effetti considerando la trave soggetta a due diverse condizioni di carico solo il carico concentrato e solo il momento a destra come illustrato in Figura 3 27 02 Ma Figura 3 27 quindi 0 0 M3 0 P Assumendo per convenzione le rotazioni positive quando antiorarie si ha Li _ Pls i 13 13 Pl l 95 M DA ay p i A questo punto non resta che imporre la congruenza degli spostamen
239. ura perch grazie ai contrappesi gia con lo stampato dell albero ci si avvicinerebbe ad una buona equilibratura e poi con la macchina equilibratrice s1 aggiusterebbero le cose fino a rientrare nella tolleranza di squilibrio dell ordine di qualche grammo per millimetro A questo punto si immagini di montare su ciascuna manovella dell albero il sistema di imbiellaggio costituito da cuscinetto biella e pistone completo In questa configurazione ci si trova di fronte a una coppia risultante dovuta alle forze centrifughe relative alle masse rotanti di cuscinetto e biella e ad una coppia dovuta alle forze alterne relative alle masse alterne di biella e pistone Adesso la massa totale da riportare sulla prima e sulla terza manovella sarebbe molto consistente e si otterrebbe un albero come quello rappresentato in figura 2 27 Figura 2 27 Albero a gomiti con contrappesi integrati Un albero di questo tipo non realizzabile con un processo di stampaggio a caldo e per via degli ingombri non rappresenta la migliore soluzione possibile Un albero siffatto sarebbe realizzabile mediante una colata in conchiglia ma dovendo mantenere lo stesso materiale 1 costi aumenterebbero esponenzialmente 1 forni che arrivano alla temperatura di fusione dell acciaio sono veramente costosi La progettazione dell attuale albero a gomiti del motore R753IE4 ha portato quindi ad un albero le cui maschette hanno dei contrappesi integrati aventi una massa ma
240. ustempering ma abituato a lavorare ghise grigie lamellari molto diverse dalle ADI Talvolta la delocalizzazione dei fornitori pu portare a scelte obbligate per materiali e trattamenti non potendo cos scegliere ci che di meglio offrono il mercato e la ricerca scientifica In aggiunta all analisi tecnica si aggiunge un analisi del costi in relazione al volume di pezzi che andranno in produzione La previsione produttiva del motore R753IE4 nella versione per Skid Steer Loader di 2000 pezzi anno volume molto basso e non paragonabile ai volumi dei motori Diesel per auto come il V6 Maserati o il 4 cilindri che equipaggia le Jeep Cherokee e Wrangler Quando il numero di pezzi anno cos basso difficile che un azienda abbandoni una strada sicura dove le conoscenze sono ben radicate e consolidate per cimentarsi in un progetto innovativo in quanto 1 volumi non consentono nemmeno interventi migliorativi e modifiche del progetto Un processo di colata prevede un cubilotto che pu facilmente superare in termini di peso 1 kilogrammi totali dei 2000 alberi controrotanti all anno e quindi nella produzione di un anno non si potrebbero fare interventi migliorativi sul grezzo o sui trattamenti Inoltre anche difficile trovare un fornitore che lavori volumi piccoli con caratteristiche di qualit elevate Il costo di Tooling cio di attrezzaggio stimato dal fornitore per realizzare il contralbero in acciaio di circa 80 000 mentr
241. utto 11 valore degli Strisciamenti specifici devono essere minimizzati il pi possibile e portati a convergenza Dalla tabella si vede che 1 due strisciamenti specifici sono dello stesso ordine di grandezza e hanno valori molto vicini tra una ruota e l altra inoltre come dovrebbe proprio essere per ragioni legate all usura gli strisciamenti del pignone cio l ingranaggio di rinvio centrale che ha meno denti sono inferiori a quelli della corona ruota oziosa che ha pi denti Normalmente l usura maggiore per la ruota dentata avente un numero minore di denti e quindi bene che tra le due questa abbia valori degli strisciamenti specifici pi piccoli 127 Capitolo 4 Progetto dell albero controrotante nella configurazione definitiva y Fino a questo momento non si imposto nessun ribassamento alla testa della ruota oziosa ma sarebbe meglio diminuire di qualche decimo la testa dei suoi denti cos da ottenere un diametro esterno della ruota pi piccolo e avere minori rischi di contatto tra 1 denti e 1l coperchio del basamento quando 1l motore in funzionamento Allora si imposta un ribassamento di 2 decimi di millimetro alla testa dei denti della ruota oziosa ottenendo una diminuzione di 0 4 mm sul diametro esterno In Tabella 4 8 sono evidenziati in arancione quei parametri che cambiano in seguito all introduzione del ribassamento sulla testa dei denti rispetto al caso in cui 1l ribassamento imposto sia nullo n
242. uzione Attraverso 1 cuscinetti di banco l olio entra in appositi fori praticati nell albero a gomiti e va a lubrificare 1 cuscinetti delle teste di biella L olio viene inoltre utilizzato per lubrificare e raffreddare 1 cuscinetti del turbocompressore e trattandosi di un motore con carico termico elevato viene anche spruzzato sulla superficie interna degli stantuffi per raffreddarli adeguatamente Figura 5 2 Nei motori aspirati lolio non viene generalmente spruzzato sulla superficie interna degli stantuffi e la lubrificazione del cilindri assicurata dall olio che esce e TRR dalla testa di biella lanciato per forza centrifuga In Ww s diversi motori Diesel l olio inviato sotto pressione al cuscinetto del piede di biella attraverso un foro praticato lungo il fusto della biella L olio che esce dalle parti lubrificate si raccoglie di nuovo nella coppa e viene rimesso in circolazione dalla pompa L olio viene aspirato dalla pompa attraverso un primo grossolano filtro a rete Alla mandata della pompa prima che l olio vada a lubrificare gli organi del motore generalmente inserito un filtro fine che ha il compito di trattenere le impurit L elemento filtrante normalmente realizzato in carta porosa Per garantire una O E bassa caduta di pressione e avere una durata accettabile raffreddamento del pistone 1 i filtri devono essere di adeguate dimensioni La pressione dell olio nel circui
243. vate direttamente sul supporto di alluminio 164 Capitolo 5 Lubrificazione e cuscinetti a strisciamento 5 5 2 Metodo di Raimondi Boyd Per la progettazione e la verifica accurata dei cuscinetti a strisciamento occorre partire dalle soluzioni dell equazione di Reynolds Esse sono date in un celebre lavoro di Raimondi e Boyd del 1958 Albert A Raimondi e John Boyd dei Laboratori di Ricerca della Westinghouse hanno utilizzato una tecnica iterativa per la risoluzione dell equazione di Reynolds su un elaboratore digitale Cos per la prima volta in assoluto questi dati furono disponibili per l uso da parte dei progettisti I lavori di Raimondi e Boyd sono stati pubblicati in tre parti e contengono 45 diagrammi dettagliati e 6 tabelle di informazioni numeriche In tutte le tre parti 1 diagrammi sono utilizzati per definire le variabili per rapporti lunghezza diametro l d di 1 4 1 2 e 1 e per angoli da 60 a 360 Sotto certe condizioni la soluzione dell equazione di Reynolds fornisce valori negativi di pressione nella parte divergente del film d olio e poich un lubrificante non pu di solito reagire a tensioni di trazione 1 lavori di Raimondi e Boyd ammettono per ipotesi che quando la pressione si annulla il film d olio si rompa Per quanto riguarda il rapporto l d si usano oggi rapporti di 0 25 0 75 mentre nel passato erano pi vicini all unit Cuscinetti pi lunghi hanno meno perdite di estremit quindi
244. vella e gli eventuali contrappesi per comodit di calcolo esse possono venire considerate pure concentrate sull asse del perno di manovella Le forze alterne e le forze centrifughe interessano lo studio dell equilibratura del motore Le prime sono costantemente dirette lungo l asse dei cilindri e quindi agiscono sul manovellismo in maniera analoga all azione delle pressioni dei gas andando a modificare la coppia motrice le seconde quelle centrifughe dato che passano costantemente per il centro di rotazione non influiscono sul valore della coppia motrice 2 2 3 Forze alterne d inerzia e forze centrifughe Se si considera l espressione generale della forza inerziale F m a e si sostituisce ad a l accelerazione del pistone espressa nella 2 11 si ricava la forza d inerzia dovuta alle masse alterne F m w r cos a cos 2a 212 La forza d inerzia F costantemente diretta lungo l asse del cilindro risulta variabile in grandezza e verso ed ha segno opposto a quello dell accelerazione a La 2 12 costituita dalla somma di due termini F m w r cosa che rappresenta la forza alterna di inerzia del primo ordine ed equivalente a tutta la forza d inerzia nel caso immaginario di biella avente lunghezza infinita mentre Fy m w7rd cos 2a che rappresenta la forza alterna di inerzia del secondo ordine ed uguale a zero nel caso immaginario della biella di lunghezza infinita _41 Capit
245. vvero Computer Assisted Design un programma di modellazione assistita dal calcolatore il che permette un elevata rapidit di esecuzione e di modifica delle forme e delle dimensioni Catia si compone sia di un modellatore tridimensionale per la progettazione 3D delle parti con possibilit di assegnare anche il materiale che di un ambiente di lavoro 2D per la messa in tavola dei componenti e quindi la creazione dei disegni tecnici La progettazione dell albero controrotante ha attraversato diverse fasi successive fino a raggiungere una configurazione definitiva nella soluzione detta gamma y cio la soluzione con il supporto realizzato in un unica fusione di alluminio A questa conformazione si giunti dopo aver modellato e studiato altre due alternative per il contralbero una dedicata al supporto in due pezzi e una dedicata al supporto in pezzo unico che ha preceduto quella finale Ci che resta invariato da un alternativa all altra la ruota dentata pensata realizzata di lavorazione sull albero per ognuna delle tre alternative il diametro del perno anteriore e la coppia centrifuga che devono generare le masse eccentriche controrotanti dell albero La scelta del diametro del perno anteriore dipende dal diametro esterno della dentatura dell albero controrotante La corona dentata stata mantenuta invariata rispetto alla soluzione a sia per quanto riguarda il numero di denti Z 25 affinch il rapporto di trasmissione T
246. zare un supporto formato da un unico pezzo poich in questo caso l albero in fase di preassemblaggio verrebbe inserito nel supporto da davanti o da dietro e di conseguenza la dimensione delle sedi dei cuscinetti dovrebbe essere molto grande per poter alloggiare le boccole e per consentire il passaggio delle masse controrotanti durante il montaggio dell albero stesso Cos si pensato di procedere considerando una prima alternativa cio un supporto composto di due parti di cui una formata dal supporto anteriore con integrato il carter Figura 3 14 e un altra formata dal solo supporto posteriore In questa configurazione non richiesta la guarnizione che nella soluzione a era interposta tra supporto anteriore e carter e si eliminano anche le 4 viti M6 che sempre nella soluzione a fungevano da tiranti per il fissaggio del carter al supporto anteriore La nuova forma del supporto tuttavia non in accordo con la scelta dei materiali Infatti non pensabile realizzare in ghisa grigia il supporto anteriore con il carter integrato in quanto la funzione del carter solamente quella di proteggere l albero e di impedire la fuoriuscita dell olio lubrificante esso non ha nessuna funzione di tipo strutturale affidata invece al due supporti principali su cul sono ricavati 1 cuscinetti A fronte di questo l intero carter realizzato in ghisa date le sue dimensioni di massima avrebbe un peso molto elevato nonostante 1 piccoli spessor

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