UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
ALMA MATER STUDIORUM
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
TESI DI LAUREA IN
Disegno Tecnico Industriale
STUDIO DI MASSIMA DI UN MOTORE A DUE
TEMPI A CICLO OTTO IN ASSENZA DI
LUBRIFICAZIONE PER DECESPUGLIATORE
Tesi di laurea di:
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Michele Dal Rio
Correlatori:
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Prof. Ing. Alfredo Liverani
Ing. Marcantonio Zanni
Anno Accademico 2005-2006
Oggetto della Tesi
ƒ Studio di una configurazione
motoristica per decespugliatore che
non necessiti di olio lubrificante e
costruzione del relativo prototipo
Obbiettivi
ƒ Motore di ingombro ridotto e basso peso così da poter
essere installato su un decespugliatore.
ƒ Costo di produzione contenuto e paragonabile a quello
di prodotti simili per consentirne la commercializzazione.
ƒ Bassa manutenzione e buona affidabilità.
ƒ Contenimento del numero di componenti per
mantenerne l’affidabilità.
ƒ Potenza massima di circa 1 kW.
Specifiche di progetto
ƒ Monocilindrico due tempi a ciclo otto a carter-pompa di piccola
cilindrata.
ƒ Funzionamento in assenza totale di olio di lubrificazione.
ƒ Pistone realizzato in materiale autolubrificante che scorre di moto
rettilineo grazie ad appositi cinematismi che permettono di scaricare le
spinte derivate dagli scoppi in direzione coassiale all’asse della corsa,
senza produrre reazioni trasversali sul fianco del cilindro
ƒ Sezioni di aspirazione, travaso e scarico comandate esclusivamente
dallo scorrimento del pistone.
ƒ Numero di giri massimo pari a 6000 giri/min.
ƒ Alimentazione del combustibile mediante carburatore tradizionale.
ƒ Raffreddamento ad aria.
ƒ Accensione comandata della miscela aria-combustibile tramite candela.
ƒ Peso massimo non superiore ai 2,5 kg.
Cinematismi alternativi
ƒ Meccanismi che permettono
di eliminare le spinte laterali
del pistone sul cilindro
ƒ Minore ingombro e numero di
componenti, si è deciso di scegliere
Il manovellismo “guida a giogo”
ALBERO
A SBALZO
BIELLETTA a “L”
ASTA
STANTUFFO
SNODO
LEVA
Il manovellismo “guida a giogo”:
cinematica
senβ = λ ⋅ senα
α
r = 12 mm; L = 48 mm;
λ = 0,25; n = 6000 rpm
Ymin
A
cos β = 1 − λ2 ⋅ sen 2α
Dati di progetto:
r
β
D
L
P.M.I.
P.M.S.
Ymax
r
λ=
L
O
P
c
t
B
P.M.S. X
L
β
Y
P.M.I.
C
ƒ spostamenti
40,00
C
⎫
⎧
YC = r ⎨cos 40° + (cos 9° + sin 9°) − [cos α + senα + ⋅ ( 1 − λ2 ⋅ sen 2α )]⎬
λ
λ
⎭
⎩
1
X B = r[1 − cos α +
1
1
λ
(1 − 1 − λ2 sen 2α )]
spostamento (mm)
35,00
30,00
25,00
20,00
B
15,00
10,00
5,00
0,00
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
angolo di m anove lla (°)
Il manovellismo “guida a giogo”:
cinematica
ƒ velocità
λ ⋅ sen( 2α ) ⎞
⎛
vC = rω ⎜ senα − cos α +
⎟
2
⎝
⎠
λ ⋅ sen 2α ⎞
⎛
vB = rω ⎜ senα +
⎟
2
⎝
⎠
ƒ accelerazioni
aC = rω 2 [ senα + cos α + λ cos(2α )]
aB = rω 2 [cos α + λ ⋅ cos(2α )]
Ottimizzazione della “guida a giogo”
1. posizione di vincolamento al telaio della leva P-B, (punto P)
Il punto B segue una traiettoria
ad arco di cerchio di raggio t
t
24
LEVA P-B ORIZZONTALE QUANDO α=83°
B
O
1,6
CONFIGURAZIONE OTTIMALE:
A
15°
12
12
P
1 5°
La traiettoria ad arco fa nascere gli
spostamenti laterali che si ripercuotono
sul punto C e che si vogliono minimizzare
°
3
α= 8
C
Ottimizzazione della “guida a giogo”
2. lunghezza t della leva P-B
t1'
All’aumentare della lunghezza della
leva la traiettoria del punto B ad arco
t2'
t'
γ'
γ'=δ'
P'
tende a quella rettilinea
P
t γ
γ=δ
t1
r
B
r
t2
25,0
BUON COMPROMESSO TRA INGOMBRO
E MINIMI SPOSTAMENTI LATERALI
(t2/t)*100 (%)
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
P-B = 50 mm
20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96100
lunghezza t della leva (m m )
Decremento percentuale della traiettoria ad arco
Considerazioni sulle spinte laterali
MANOVELLISMO TRADIZIONALE
MANOVELLISMO GUIDA A GIOGO
A
O 24
D Fl
Φ
d
B
F
P
C
0,2
s
1,6
Le spinte laterali sono:
Le spinte laterali sono:
Fn = F tan β MAX = F tan 14,5° = 0,26 F
Fl = F tan φMAX = F tan 0,12 = 0,002 F
SI PASSA DAL 26% ALLO 0,2% DELLA FORZA TOTALE F
I componenti della guida a giogo:
l’asta stantuffo e il pistone
Fg
ƒ Il carico massimo agente sui componenti è Fg=1500 N
in fase di avviamento dovuto alla pressione dei gas
ƒASTA STANTUFFO
Dimensionamento
di massima
Diametro
D≥
4F
πσ cr
D=10 mm
Lega di
Materiale
Alluminio
EN AC-AlSi11
ƒPISTONE
Alesaggio
d=32 mm
Bronzo-grafite
sinterizzato
Fg
I componenti della guida a giogo:
la bielletta a “L”
Fr
Va
Ma
A
A
Na
Vb
Nb
b
h
Fg
C
Nc
B
Mb
Vc
Fr
Nb
B
B
C
Vb
Mb
Dimensionamento
di massima
h = 15 mm
Lega di
Materiale
GRAFICI
b = 30 mm
Alluminio
EN AC-AlSi11
SFORZO
NORMALE
TAGLIO
MOMENTO
FLETTENTE
I componenti della guida a giogo:
l’albero a gomiti
ƒALBERO COMPLETO A SBALZO
Dimensionamento
2
+0,005
-0,003
M 8
2,9
Semialbero
⎛ 16 M tTOT ⎞
⎛ 32 M D ⎞
⎟
⎟ + 3⎜
⎜
6 ⎝
π ⎠
π
⎝
⎠
d=
2
O 8
0,8
0
-0,05
lato volano
14
15
1
Acciaio da
bonifica
35CrMn5
d = 12 mm
6,3
+0,15
-0,05
0,8
1 X 45°
2
σ am
12
1,6
3,2
Materiale
0,8
Con. 10°
A
R
30°
0,5
-0,05
-0,07
12
Fresa D 10
Largh. 1,6
prof. 2,5
0,8
3,2
44,7
0
-0,1
11,4
3,2
0,8
0
+0,2
3,2
0,8
di massima
95
15
110
2
0
+0,3
26,1
O 5
3,2 ±0,1
6,3
6,3
O 9,55
0
-0,15
O 12
O 10 ±0,1
0
-0,003
0,15
29 ±0,15
Perno
⎛ 16 M tTOT ⎞
⎛ 32 M D ⎞
⎟
⎟ + 3⎜
⎜
6 ⎝
π ⎠
π
⎝
⎠
d=
2
2
Acciaio da
σ am
cementazione
d = 12 mm
18NiCrMo5
Il prototipo
Caratteristiche
Unità di misura
Valori
Alesaggio
d[mm]
32
Raggio di manovella
r[mm]
12
Corsa
c[mm]
34
Giri
n[rpm]
6000
Cilindrata
V[cm3]
27,3
Velocità media pistone
u[m/s]
6,8
Potenza
P[kW]
1,3
Coppia
M[Nm]
2
Metodi di equilibratura
1. PRIMO METODO DI BILANCIAMENTO
ƒIntroduzione di un secondo
manovellismo dotato di massa M
ƒEquilibratura forza d’inerzia del I° ordine
1500,0
ω
500,0
N
1
1000,0
A
0,0
0
30
60
90
120 150
180 210 240 270 300 330 360
-500,0
2
-1000,0
-1500,0
angolo di manovella (°)
B
C
massa M
ƒNessun equilibratura forze d’inerzia
del II° ordine (servirebbero alberi
rotanti a velocità angolare doppia)
ƒSVANTAGGI
Complicazione struttura
Ingombri
Peso
Costi costruttivi
Metodi di equilibratura
2. SECONDO METODO DI BILANCIAMENTO
ƒDirettamente sul prototipo
3 fori nella maschetta a 45°
ƒFori riempiti con materiale di diversa densità
ƒRisulta equilibrata la componente della forza
d’inerzia del I° ordine lungo l’asse del moto del
pistone ma squilibrata quella perpendicolare
1500,0
1500,0
1000,0
1000,0
500,0
500,0
N
45°
N
45°
0,0
0
30
60
90
120 150
180 210 240 270 300
0,0
0
330 360
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
-500,0
-500,0
-1000,0
-1000,0
-1500,0
-1500,0
angolo di manovella (°)
angolo di m anovella (°)
ƒNessun equilibratura forze d’inerzia
del II° ordine (servirebbero alberi
rotanti a velocità angolare doppia)
ƒVANTAGGI
Buoni risultati senza complicare la struttura
Praticità, economicità
Conclusioni
ƒ Si è riusciti a individuare una soluzione
costruttiva che soddisfi gli obbiettivi prefissati:
1. Il prototipo funziona in assenza
di olio lubrificante
2. Minori emissioni inquinanti
poiché si evita la dispersione di
olio nell’ambiente
3. Il prototipo presenta basso peso
e buona maneggevolezza quindi
idoneo per decespugliatore
4. Ingombri contenuti in altezza e
profondità ma incrementati in
larghezza
Sviluppi futuri
ƒ Ottimizzazione del gruppo di lavaggio,
di scarico e di raffreddamento
ƒ Ottimizzazione dell’equilibratura
dell’imbiellaggio guida a giogo
ƒ Studio riguardante l’impiego di un
carburante gassoso (GPL) essendo
riusciti ad eliminare l’olio di
lubrificazione
Motore “pulito”
ƒ Studio di propulsori di maggiore
cubatura o pluricilindrici funzionanti
sfruttando i principi della guida a
giogo, che elimina le spinte laterali, e
dell’assenza di lubrificazione