progettare motore | Ralph DTE

4 marzo 2011

Volere è potere: progettare e realizzare un motore

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Progettare e realizzare un motore per una Vespa da competizione

Di recente ho avuto modo di parlare con diversi studenti di Ingegneria Meccanica di differenti Università italiane. Alcuni, come me, si dedicano ad approfondire la loro passione per motori, telai, sospensioni, carrozzerie e aerodinamica, tecnologie, ecc…

Fin qui tutto normale se non fosse per una sorta di strana anomalia. Alcuni raccontano che i loro professori li hanno scoraggiati nel momento in cui hanno mostrato il desiderio di voler progettare un motore. C’è persino chi ha detto al proprio studente tesista: “E’ inutile che ti fissi nel voler fare la tesi sui motori, tanto nella tua vita non progetterai mai motori…”

Ora desidero semplicemente portare alla vostra attenzione il fatto che ci sono ragazzi (grandi appassionati di motori e tecnica) i quali, ancor prima di prendere il diploma di Perito Meccanico Industriale, sono stati in grado di “progettare” nonchè “costruire” il motore che loro volevano fortemente. Quindi non solo questi ragazzi non sono degli ingegneri, ma alcuni di loro hanno realizzato il loro primo motore (o parte di esso) prima ancora di conseguire il diploma… Non dico altro.

Uno di questi ragazzi (Stefano) è stato così gentile da fornirmi alcune foto di uno dei suoi motori realizzati con un suo caro amico. A scuola, qualche mese prima di prendere il diploma, lo ha disegnato con un software di progettazione meccanica 3D. Durante la realizzazione della sua tesina di maturità ha iniziato la sua lavorazione e, alcuni mesi dopo, ha completato un suo primo prototipo funzionante*.

Ma non solo! Ha montato il suo motore su una Vespa da competizione che utilizza per partecipare a regolari gare di accelerazione (sui 150 metri) organizzate da appositi enti sportivi su tracciati chiusi al traffico. I risultati ottenuti sono i seguenti: 6,5″ per raggiungere i 150 metri, una velocità d’uscita di ben 134 km/h ed una soddisfazione impareggiabile. Viene da sé che Stefano è solo all’inizio della sua carriera motoristica e che presto realizzerà motori sempre più complessi e con lavorazioni sempre più precise e raffinate. Stefano potrebbe anche non iscriversi mai ad ingegneria meccanica e progettare comunque i suoi motori perchè: volere è potere. Certo è che se si incrive potrà fare molto di più (al di là di quello che pensano i più pessimisti).

*Il motore realizzato da Stefano sfrutta il cilindro di un motore già esistente. Situazione perfettamente comprensibile visto che possiamo già considerare inverosimile il fatto che alla sua giovane età lui abbia realizzato diverse componenti con un suo amico appassionato di tecnica e macchine utensili.

9 settembre 2009

Motorismo: Dimensionamento del basamento – Lunghezza biella

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Dimensionamento del basamento – Lunghezza biella

Sebbene in un motore da corsa si preferisca avere la lunghezza della biella minore possibile, ci si ritrova comunque a dover giungere ad un compromesso. La lunghezza della biella infatti deve essere tale da permettere al contrappeso dell’albero motore di passare tra il perno di banco e la parte inferiore del pistone quando quest’ultimo si trova al Punto Morto Inferiore.

Per contenere le spinte sulla parete laterale del cilindro si dovrà limitare l’inclinazione α raggiungibile dalla biella rispetto all’asse verticale.

Ne deriva quindi che per determinare la lunghezza della biella si procederà al seguente calcolo:

Dove:

L= lunghezza biella
C= corsa
Φspin= diametro spinotto
Rc= raggio contrappeso
S= distanza tra l’estremo inferiore del pistone e la superficie esterna dello spinotto
g= gioco fra pistone e contrappeso

Risulta ovvio però che la parte inferiore del basamento dovrà essere dimensionata in modo tale da poter alloggiare la frizione la quale si trova sullo stesso asse del perno di banco. La distanza W tra l’asse dell’albero motore e la parte inferiore del basamento sarà semplicemente:

Dove φfrizione è il diametro del gruppo frizione che deve essere alloggiato nel basamento.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

4 settembre 2009

Motorismo: Parametri iniziali del progetto di un motore

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Parametri iniziali del progetto di un motore

Si sceglie il tipo di motore da progettare: motore da competizione, motore benzina o motore diesel.

Tanto per fare un esempio immaginate di dover realizzare un nuovo progetto di un motore da corsa, ovviamente alcuni parametri del progetto non spetterà a voi sceglierli essendo presente un regolamento. Pertanto la cilindrata massima (V), il numero massimo di cilindri (Zmax), la presenza o meno della sovralimentazione, saranno parametri fissati.

Premesso questo e considerando il caso di un motore da corsa di formula che dovrà avere una durata di sole 4 ore (un valore infinitamente ridotto rispetto a quello di vetture stradali), ci porremo l’obiettivo di incrementare al meglio le prestazioni rispetto al precedente progetto tentando di minimizzare il peso e l’ingombro ed aumentando la rigidezza torsionale e flessionale. Il progettista dovrà essere abile nel realizzare un motore in grado di superare anche di poco le 4 ore di vita utile del motore al massimo regime di rotazione. Non girando nella realtà il motore sempre al massimo, questo durerà sicuramente anche più delle 4 ore previste.

Velocità Media del Pistone

E’ il primo valore da fissare:

Dove “Vm” è la velocità media del pistone, “C” è la corsa del pistone, “n” il numero di giri/min. Con gli attuali combustibili ci si può spingere sino a Velocità medie del Pistone di Ben 26m/s (metri al secondo). Tale valore ovviamente si riferisce a motori particolarmente prestanti quali ad esempio quelli di F1.

Numero di giri del motore

Il consiglio solitamente è quello di tenersi su un valore persino superiore a quello attuale della concorrenza. Anche gli avversari crescono e sviluppano come voi. Potreste trovare sorprese durante la successiva stagione.

Corsa del Pistone

Si ottiene conoscendo la Velocità media del Pistone ed il massimo numero di giri raggiungibile. Vedi la prima formula espressa sopra.

Numero cilindri

Volume singolo cilindro

Dove “V” è la cilindrata totale ed “N” è il numero dei cilindri.

Alesaggio

L’alesaggio invece varrà

I valori che si ottengono dal calcolo dell’alesaggio e dal calcolo della corsa si arrotondano per difetto al decimo di millimetro. Questo perchè con l’usura del motore questi valori possono aumentare dando cilindrate leggermente maggiori. Non si deve mai rischiare di superare le cilindrate imposte da regolamenti o altro.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

2 settembre 2009

Motorismo: I compromessi iniziali del progetto

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: I compromessi iniziali del progetto

Inizialmente, in un nuovo progetto di un motore, si deve tener conto dei carichi imposti dalla pressione dei gas, i carichi imposti dalle forze di inerzia e dalle dilatazioni termiche. Allo stesso tempo si devono evitare pesi e volumi eccessivi, nonché costi alti.

E’ fondamentale ottenere una struttura solida di cui solo in un secondo momento si andranno a calcolare i dettagli. La buona riuscita di un progetto dipende dall’abilità e dall’esperienza del progettista, dal numero di prove sperimentali eseguite e, sottolineamo ancora, dal fondamentale compromesso con i costi di fabbricazione e di assemblaggio. Infatti se si vuole ottenere un vantaggioso rapporto resistenza/costi ci si deve spingere ai limiti della progettazione con “coefficienti di sicurezza” del progetto piuttosto bassi.

Questo significa che se si andrà a sollecitare in maniera non prevista un organo come la biella ad esempio (è il caso delle note elaborazioni stradali…) sarà molto facile romperla. Basterà raggiungere un numero di giri poco più elevato di quello al quale interviene il limitatore.

Le principali rotture in un motore avvengono per fatica nelle zone presso le quali si ha un’elevata concentrazione di tensioni. Purtroppo non è possibile calcolare con estrema precisione le sollecitazioni massime pur essendo i carichi noti al progettista. Questo perchè i calcoli vengono notevolmente complicati dall’incertezza sulla distribuzione dei carichi. Immaginate infatti che i carichi variano con il tempo in una struttura (il motore) che oltretutto è flessibile. Pertanto i normali carichi considerati dai progettisti sono aggravati dalla flessione e dalle vibrazioni che si vengono a creare. I fattori elastici sono estremamente complessi da calcolare e questo fa sì che la prova più attendibile resti quella al banco.

Simulazione di sollecitazioni sull’albero motore (vista in sezione)

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

2 settembre 2009

Motorismo: Operare scelte logiche

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Operare scelte logiche

Un moderno motore a combustione interna, oggi, non deve soddisfare solo requisiti quali la resistenza e l’affidabilità; esso deve altresì rispettare degli standard rigorosi in merito alle emissioni inquinanti ed all’inquinamento acustico.

La ricerca si è spinta in più direzioni, dai materiali alle tecnologie di produzione (fusione, stampaggio, assemblaggio), sino alla combustione. Ottimizzare il rendimento termico di combustione è stato fondamentale negli ultimi anni per ottenere motori prestanti dai bassi consumi.

Da non sottovalutare in un progetto persino le ricerche di mercato volte a comprendere il desiderio dei possibili acquirenti, nonché le mosse della concorrenza.

Di seguito troviamo le considerazioni sulle quali si basano le scelte iniziali delle case costruttrici:

Motivazioni per un nuovo progetto;
Tipi di servizi che il motore deve soddisfare;
Requisiti di potenza e consumi;
Tipo di motore (benzina o diesel, aspirato o turbo, 2 o 4 tempi, numero e disposizione cilindri);
Tipi di combustibile utilizzati;
Stime dei costi e degli sviluppi;
Stima del tempo di realizzazione;
Stima dei costi di processo;
Valutazioni di mercato relative al periodo di commercializzazione del prodotto per verificare l’eventuale competitività.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

1 settembre 2009

Motorismo: Introduzione alla progettazione di un motore

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Brevi cenni semplificati di introduzione alla progettazione di un motore 4 tempi

Il metodo

Si parte dalla definizione delle idee realizzando schizzi a matita. Volendo si potrebbe anche partire da disegni CAD essendo quest’ultimi modificabili, tuttavia il vecchio buon metodo della “Matita” è molto più veloce e adatto a schizzi iniziali. Bisogna avere una buona confidenza con la matita ovviamente.
Si effettua un primo dimensionamento attingendo a dati relativi ai precedenti progetti già presenti nella banca dati. Quando non si dispone di una raccolta di dati relativi ad altri lavori, si impostano valori non definitivi per eseguire i primi tentativi.
Si imposta il problema strutturale. E’ necessario definire i carichi cui la parte da progettare sarà soggetta. In seguito si effettueranno le dovute verifiche.
Si effettua una verifica classica (vedremo nei prossimi articoli di cosa si tratta). Grazie a questo passaggio è possibile risalire al dimensionamento corretto di ogni componente affinché vi sia la dovuta resistenza alle sollecitazioni.
Si procede con il disegno CAD utilizzando un approccio parametrico. Il disegno 3D sarà associato ad una tavola bidimensionale (CAD associativo), questo significa che ogni volta verrà eseguita una modifica sul 3D anche le tavole si aggiorneranno automaticamente.
Infine si esegue la verifica FEM (analisi agli elementi finiti) o GEM (analisi agli elementi geometrici). I programmi di calcolo agli elementi finiti permettono di tenere conto, per le verifiche, della reale geometria della parte che andiamo a progettare. Questo permette di mandare in produzione (o perchè no, alla prototipazione rapida) un pezzo appena disegnato e verificato restando certi della sua buona attendibilità. Le ultime parola ovviamente spettano sempre alla sperimentazione.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.