Rispondendo a Stefano

La forza che verrà impressa sul cielo del pistone e relative formule, in modo da poter eseguire i corretti e dovuti dimensionamenti.

Considerando che il motore in questione è un propulsore 2 tempi 125cc per uso motociclistico, per calcolare la spinta che solleciterà il pistone, e tenderà ad inflettere la biella (nel punto di quadratura: ossia nel punto in cui le sollecitazioni sono al massimo) con un carico di punta che a sua volta verrà trasmesso all’albero motore, relativi cuscinetti e carter… devi considerare i seguenti valori:

P_me 0,7-1,0 (MPa)

Unità di misura: 1 MPa (megapascal) = 1.000.000 pascal = 10⁶ N/m² = 1 N/mm² ≈ 0,1 kg/mm²

Nel tuo caso, considerando un alesaggio di 54mm e quindi un area (raggio x raggio x 3,14) di circa 2290mm², la spinta media sul pistone avrà un valore di 2290 Newton se consideri una P_me=1; ovvero F [N] = Pressione [N/mm²] x Superficie [mm²] = 1N/mm² x 2290mm²

η_g 25-30 %

u_p 16-20 [m/s]

C/D 0,8-1,0

n (giri/s) 120-160

Potenze specifiche comprese tra 100-200 KW/dm³

Unità di misura: 1kW = 1,36CV = 1,34hp = 737,56 lbf·ft/s = 101,97 kgf·m/s

Questi dati sono quelli di cui si tiene conto la maggior parte delle volte durante la progettazione di motori motociclistici 2 tempi di piccola cilindrata.

Link correlati:

Costruire un motore - 1
Costruire un motore - 2
Costruire un motore - 3
Costruire un motore - 4
Costruire un motore - 5
Costruire un motore - 6
Costruire un motore - 7

Vedi anche la sezione “Motorismo” della pagina “Motori” di questo blog.

Condividi

Rispondendo a Stefano

Chiarimenti circa le pressioni in camera di scoppio, aree e volumi, unità di misura e parametri importanti di calcolo.

Circa il discorso delle pressioni, le aree e i volumi nella tua mail abbiamo notato un pò di confusione. La pressione che misuri a motore spento inserendo un manomentro al posto della candela, non ha molto a che fare con la spinta che si genererà sul pistone nell’istante della combustione. Con la pressione che hai rilevato il motore nemmeno partirebbe. Devi considerare che, a motore spento, misuri semplicemente il rapporto geometrico di compressione ossia un rapporto tra la pressione presente nel volume (cilindro + camera di scoppio) quando il pistone si trova al punto morto inferiore, e quella che raggiungi quando il pistone arriva al punto morto superiore (ossia quando rimane solo il volume della camera di scoppio nel tuo specifico caso; questo non vale ad esempio per molti pistoni dei 4 tempi ma non è il tuo caso).

Durante il movimento del pistone dal punto morto inferiore a quello superiore, ovviamente, l’area del cilindro è sempre la medesima e ciò che osservi variare, in termini geometrici, è il volume a disposizione per eseguire i 2 tempi (aspirazione compressione - combustione scarico). Ti ricordiamo che il volume del cilindro lo misuri in ogni istante moltiplicando l’area dello stesso (e quindi raggio x raggio x 3,14) per la corsa utile a disposizione prima che raggiunga il PMS (punto morto superiore). A questo valore va sommato il volume della camera di scoppio che puoi trovare senza tante complicazioni così:

Smonta la testa dal cilindro, avvitaci la candela, mettila rovesciata su una superficie piana, riempi di olio motore un piccolo contenitore graduato, versa l’olio nella camera di scoppio e vedi quanto ne è rimasto nel tuo contenitore graduato, dalla sottrazione sai quanto olio sta occupando la tua camera di scoppio, dalla quantità d’olio trovata risali velocemente al volume anche perchè molti contenitori graduati indicano sia i litri, sia i decimetri cubi. Ovviamente 1 litro = 1 dm³ e π = P greco.

A mano a mano che il pistone scende verso il PMI punto morto inferiore, il volume a disposizione cresce; al contrario durante la corsa verso il PMS punto morto superiore, il volume si riduce notevolmente. La riduzione di volume provoca di per sè un incremento delle pressioni che diventa ancora maggiore (molto maggiore) quando avviene la combustione e la quasi istantanea espansione dei gas. Questo genera la spinta violenta che spingerà il tuo pistone verso il punto morto inferiore…

Parte A

Alesaggio D: diametro interno del cilindro entro cui si muove il pistone

Corsa C: distanza percorsa dal pistone dal PMS al PMI

Sezione trasversale cilindro Ac: raggio·raggio·π  oppure  (π·D²)/4

Cilindrata: Ac·Corsa

Rapporto volumetrico di compressione: r=(V+Vc)/Vc ovvero volume cilindro + volume camera di combustione diviso il volume della camera di combustione (attenzione che in diversi motori 4 tempi il cielo del pistone ha una forma con una sporgenza che occupa parte del volume della camera di scoppio, ma non è il tuo caso)

Velocità di rotazione dell’albero motore: velocità angolare dell’albero a manovelle misurata tramite il numero di giri completi in un secondo “n” oppure in radianti al secondo. Le due grandezze sono legate dalla seguente relazione: ω = 2·π·n

Frequenza del ciclo: fc = n/ε (ε=1 per il motore a 2 tempi; ε=2 per il motore a 4 tempi)

Angolo di manovella θ (si legge Teta): θ=ω·t=2π·n·t. Se ti sembra incomprensibile pensa solo al fatto che la velocità è uguale a uno spazio fratto il tempo. Di conseguenza lo spazio è dato dalla velocità per il tempo. Se consideri che un angolo percorso dalla manovella equivale ad uno spazio, ne segue che l’angolo di manovella Teta ovvero lo spazio è dato dalla velocità 2πn (vista poco sopra) per il tempo. Tutto qui.

Parte B

Spostamento del pistone: Sp= C/2·[1+(1/Λ)-cosθ-(1/Λ)·√(1-(Λ²·sin²·θ))]
dove Λ (che si legge lambda) vale: Raggio di Manovella diviso Lunghezza biella, ovvero: Λ=Rm/Lb.

Velocità media del pistone: Ûp= 2·C·n (relativa ad un giro completo di albero motore)
dove “C” è nuovamente la Corsa e “n” il numero dei giri.

Velocità istantanea del pistone: up= Ûp(π/2)·[sinθ+ (Λ·sin2θ/(2√(1-(Λ²·sin²·θ))))]
Si annulla all’inizio ed alla fine della corsa. Ti ricordo inoltre che la derivata dello spostamento è la velocità, e che la derivata della velocità è l’accelerazione. Questa semplice relazione ti permette di ricavare tutto ciò che ti serve semplicemente partendo dallo spostamento.

Accelerazione del pistone: ap= ω²(C/2)·[cosθ+Λ·cos2θ]

Volume istantaneo cilindro: V=V·[(1/(r-1)) + (1/2) ( 1+(1/Λ) -cosθ -(1/Λ) √1-(Λ²sin²θ) )]

Ovvero il volume disponibile per ogni posizione dell’albero motore. Indicheremo il volume istantaneo in grassetto e quello normale senza il grassetto. Derivando il volume istantaneo rispetto a  θ (ovvero dV/dθ) si ottiene la variazione di volume che si ha con l’angolo di rotazione della manovella. Quanto varia il volume disponibile nel cilindro per ogni grado di rotazione? Derivando invece il volume istantaneo rispetto al tempo t (ovvero dV/dt) si ottiene la variazione di volume rispetto al tempo. Quanto varia il volume disponibile nel cilindro in ogni secondo che passa? Ecco un altro buon motivo per cui le derivate sono molto importanti. Come del resto una buona conoscenza di tutta la matematica. Specie in questo campo.

Parte C

Momento torcente: Me=F·b 

Potenza effettiva: Pe=ω·Me

Lavoro indicato: Li=∫pdv

Integrale della pressione rispetto alla variazione di volume. Rappresenta nient’altro che l’area racchiusa dal ciclo indicato. Il Lavoro indicato non è altro che il lavoro ceduto dal fluido al pistone. Note: L = F·s = (Pmi·Ac)·C = pmi·V = Li.

Potenza indicata: Pi= dLi/dt = Li·fc = Li·(n/ε)

Pressione media indicata: Pmi= Li/V

Ricorda sempre che un momento è dato da una forza per il braccio, un lavoro dalla forza per lo spostamento e una potenza dalla Forza per la Velocità oppure dal Lavoro diviso il tempo…

Rendimento indicato: ηi=Pi/(mc·Hi)

dove mc·Hi è la potenza termica messa a disposizione dal combustibile, “mc” è la massa di combustibile e “Hi” è il potere calorifico inferiore del combustibile

Rendimento organico: ηo= Pe/Pi

Pressione media effettiva: Pme= ηo·Pmi

Pme: Lavoro effettivo per ciclo ed unità di cilindrata. La Pme è il lavoro utile fornito ad ogni ciclo dall’unità di cilindrata. Quindi è improprio per molti ingegneri chiamarla pressione media effettiva (e li capisco…); tuttavia essendo dimensionalmente e quindi per l’unità di misura, una pressione (si indica in MPa Mega Pascal), in tutti i testi di ingegneria e motorismo la si chiama così. In realtà ci sono formule ben più complesse che esplicano come si arriva di preciso al valore esatto dalla Pme, esse considerano tutti i tipi di rendimento del motore. Ma non credo che occorrano nel tuo caso .

Rendimento globale: ηg=1/Cse

dove Cse è il consumo specifico di energia per produrre l’unità di lavoro: Cse=(mc·Hi)/Pe.

Nel successivo articolo troverai direttamente il valore della Pme che ti occorre in modo da semplificare i tuoi conti. Con queste formule saprai però spiegare come si arriva a quel valore, inoltre potrai vedere più da vicino come si ricavano i parametri più importanti.

Link correlati:

Costruire un motore - 1
Costruire un motore - 2
Costruire un motore - 3
Costruire un motore - 4
Costruire un motore - 5
Costruire un motore - 6
Costruire un motore - 7

Vedi anche la sezione “Motorismo” della pagina “Motori” di questo blog.

Condividi

Rispondendo a Stefano

La lega di acciaio da utilizzare per l’albero motore

A prescindere dal fatto che non è stato ancora deciso se modificare l’albero esistente o se farne uno nuovo da zero con altre caratteristiche, le leghe di acciaio al Nichel Cromo Molbdeno che mi hai segnalato nella tua mail (18NiCrMo5 - 16NiCrMo2) vanno bene entrambe ma quella che viene maggiormente utilizzata in campo motociclistico è la 16NiCrMo2. Tuttavia un professore di Metallurgia presso l’Università che frequento mi ha detto che tra queste due leghe non ce n’é una particolarmente adatta dal punto di vista economico in quanto si tratta di acciai da Cementazione. Il trattamento termico di cementazione è abbastanza costoso. Sarebbe molto più conveniente utilizzare acciai da Bonifica per il tuo progetto. Ad esempio:

1. 39NiCrMo3
2. 38NiCrMo4 (quasi identico al precedente ma aggiornato alle nuove normative)

Def.

Acciai da Cementazione: acciai con bassa percentuale di carbonio non superiore allo 0,20%. Acciai destinati al trattamento termico (piuttosto costoso) di cementazione. Contengono: nichel per la tenacità e la temprabilità; cromo e molibdeno per la temprabilità e la stabilizzazione dei carburi.

Acciai da Bonifica: acciai che possono sopportare carichi elevati, urti e particolarmente adatti a resistere a fatica. Possiedono il miglior compromesso fra resilienza e tenacità. La concentrazione di carbonio negli acciai da bonifica è compresa fra lo 0,21% e lo 0,60%. Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima tenacità, hanno le seguenti funzioni: nichel, cromo e manganese favoriscono la temprabilità; il molibdeno riduce la fragilità al rinvenimento; il vanadio affina la grana cristallina.

Si tratta di acciai che vengono trattati con tempra, in acqua o in olio, e successivo rinvenimento a circa 620 °C.

Note

Ricorda infine che quando si realizza un albero motore si devono eseguire:

Equilibratura statica e dinamica globale delle masse rotanti del solo albero
Equilibratura statica e dinamica globale delle masse rotanti dell’imbiellaggio
Equilibratura statica e dinamica globale rispetto alle forze alterne di inerzia.
Equilibratura locale delle singole manovelle.

Link correlati:

Costruire un motore - 1
Costruire un motore - 2
Costruire un motore - 3
Costruire un motore - 4
Costruire un motore - 5
Costruire un motore - 6
Costruire un motore - 7

Vedi anche la sezione “Motorismo” della pagina “Motori” di questo blog.

Condividi

Rispondendo a Stefano

La scelta di realizzare il basamento “dal pieno”.

Quando si realizza un organo meccanico è importante valutare come andrà sollecitato. La scelta del materiale è fondamentale, ma di pari importanza è la scelta delle lavorazioni che porteranno alla realizzzione del pezzo. I pezzi realizzati per fusione hanno un andamento delle fibre che segue la forma del pezzo stesso. Al contrario i pezzi realizzati “dal pieno” hanno un unico orientamento delle fibre che favorisce la resistenza meccanica prevalentemente in una sola direzione dello sforzo. Inoltre il carter in alluminio andrà rinforzato nei punti critici. Quest’operazione è relativamente semplice quando si ricava il pezzo in fusione di terra e si deve preparare lo stampo. Al contrario, ricavando il carter dal pieno incorrerai in una serie di lavorazioni molto complesse e dispendiose in termici economici e di tempo. I maggiori costruttori motociclistici adottano oggi carter ottenuti per fusione in terra di leghe di alluminio silicio e magnesio.

E’ fondamentale notare che il materiale va scelto in base al metodo con cui si realizzerà un pezzo. Se un componente viene ottenuto per fusione saranno necessarie leghe con elementi alliganti che favoriscono la colabilità ovviamente; mentre se si ottiene un pezzo dal pieno saranno fondamentali leghe che facilitano la lavorazione alle macchine utensili. Nel caso di un acciaio ad esempio, la presenza del Molibdeno è importante per migliorare la lavorabilità alle macchine utensili. Se il pezzo invece verrà realizzato per stampaggio, non dovrà essere realizzato con un materiale eccessivamente duro o si romperà immediatamente.

Video

Al seguente link http://www.youtube.com/watch?v=pW8IexzkRss&feature=fvst trovi un interessante video che contiene preziose immagini circa la fonderia.

Link correlati:

Costruire un motore - 1
Costruire un motore - 2
Costruire un motore - 3
Costruire un motore - 4
Costruire un motore - 5
Costruire un motore - 6
Costruire un motore - 7

Vedi anche la sezione “Motorismo” della pagina “Motori” di questo blog.

Condividi

Rispondendo a Stefano

Introduzione

Stefano si diplomerà quest’anno presso l’istituto tecnico industriale Galvani (Brescia), il suo obiettivo è quello di realizzare un motore 2T sfruttando: cilindro, pistone, albero motore e accensione di un motore Suzuki 2 tempi che ha a disposizione. Il basamento invece lo realizzerà lui, in alluminio, ricavandolo dal pieno. Il tutto andrà montato su una Vespa. Indipendentemente dai pro e contro del progetto (che gli abbiamo già spiegato in privato), intende divertirsi con gran passione nel realizzare la sua idea. Un grande lavoro extra scolastico che lo vedrà molto impegnato sia a livello di progettazione, sia nell’uso delle macchine utensili e nel reperimento dei materiali. La sua tesina d’esame invece riguarderà solo ed esclusivamente: “Dimensionamento e ciclo di fabbricazione di un albero motore per 2 Tempi”.

Stefano ci chiede delucidazioni circa: la lega di alluminio da utilizzare per il basamento; vantaggi e svantaggi relativi alla realizzazione dal pieno del suo basamento; la lega di acciaio da utilizzare per l’albero motore (forse modificherà quello che ha a disposizione o forse lo rifarà da zero); la forza che verrà impressa sul cielo del pistone e relative formule (in modo da poter eseguire i corretti e dovuti dimensionamenti); chiarimenti circa le pressioni in camera di scoppio, aree e volumi; formule per il dimensionamento dell’albero a gomiti; il software consigliato per realizzare le simulazioni di progettazione di ogni componente al computer. Conosce invece molto bene come lavorare alle macchine utensili (velocità di taglio, avanzamento, utensili…) e i dovuti trattamenti termici da usare, nonchè le nozioni di base imparate a scuola.

La lega di alluminio che ci hai detto avere a disposizione (6082 anticorodal) ha buone proprietà meccaniche e una resistenza che dovrebbe essere più che sufficiente per la realizzazione del tuo carter dal pieno. Si tratta di una lega che è adatta ad essere facilmente lavorata alle macchine utensili. Questo anche per la sua bassa percentuale in peso di silicio (0,70-1,30 %). Viceversa non è adatta per la realizzazione del medesimo pezzo per fonderia. Se il pezzo fosse stato da te realizzato per fusione (operazione enormemente più vantaggiosa dal punto di vista economico e di tempo) sarebbe stata necessaria assolutamente una lega con una percentuale molto più elevata di silicio per aumentare la colabilità del materiale. Il silicio è un fondamentale elemento di alligazione per l’alluminio. L’alluminio puro ha scarse proprietà meccaniche e viene utilizzato solo dove è richiesta un’elevata conduttività elettrica e termica. Inoltre ti faccio presente che per irrigidire ulteriormente carter strutturali o basamenti, BMW, realizza (per le sue sportive) queste parti sì in alluminio, ma con il 17% (in peso) di silicio e una componente di Ghisa Grigia per l’inevitabile funzione di rinforzo (mi riferisco però a pezzi ottenuti per fonderia e per i motori a 4 tempi). Tale funzione di rinforzo non è particolarmente richiesta nelle testate dove una fusione di alluminio è un’ottima soluzione nel rapporto qualità/costi ormai da anni. Il materiale che tu mensioni è molto adatto anche per componentistica e piccoli carter che coprono la frizione o un pignone ad esempio… in poche parole anche per pezzi che non subiscono sollecitazioni elevatissime. Scarica i dati tecnici dell’Alluminio Anticorodal6082

Se lo desideri nei commenti puoi riportare i trattamenti terminici che andrai ad effettuare al termine della realizzazione del carter, il luogo dove li effettuerai (presso l’istituto o presso ditte esterne) e i costi che andrai ad affrontare.

Tra le leghe di alluminio più adatte per un carter ottenuto per fusione (nel caso un domani ti interessasse) troviamo:

Alluminio 356 T61 (esplicitamente utilizzata per la realizzazione di carter per scooter prestanti)
Alluminio 356 T6 A (esplicitamente utilizzata per la realizzazione di carter per scooter prestanti)

Altri tipi di leghe di alluminio utili per la componentistica:

AlSi12
Lega adatta per l’uso comune, per la produzione di pezzi colati con pareti sottili, pezzi colati resistenti alle vibrazioni, con buona resistenza all’azione degli agenti atmosferici, ottima colabilità e saldabilità.

AlSi12Cu
Lega adatta per l’uso comune, per la produzione di pezzi colati con pareti sottili, pezzi colati resistenti alle vibrazioni, impermeabile, ottima colabilità e saldabilità.

AlSi10Mg
Lega adatta per l’uso comune, particolarmente dura, resistente all’azione degli agenti atmosferici ed all’acqua marina. Viene impiegata per la produzione di carter per motori.

AlSi9Cu3
Lega adatta ad una pluralità d’impieghi, particolarmente dura in condizioni di surriscaldamento, eccellente lavorabilità, buona saldabilità, mediamente resistente all’azione degli agenti atmosferici, non resistente all’acqua marina.

AlSi9Cu3
Lega adatta ad una pluralità d’impieghi, particolarmente dura in condizioni di surriscaldamento, eccellente lavorabilità, buona saldabilità, mediamente resistente all’azione degli agenti atmosferici, non resistente all’acqua marina.

Link correlati:

Costruire un motore - 1
Costruire un motore - 2
Costruire un motore - 3
Costruire un motore - 4
Costruire un motore - 5
Costruire un motore - 6
Costruire un motore - 7

Vedi anche la sezione “Motorismo” della pagina “Motori” di questo blog.

Condividi