Class: Engine structural design Software used: Excel, Solidworks Content: Starting from manufacturer datasheet I increased the power of a motorcycle engine by adding a supercharger, then redesigned the full crank to ensure it was able to sustain the extra mechanical stresses and drew the 3D of it.

1. Elaborato di Pagura Michele N° 103822
Relazione tecnica di progetto relativa al corso di Progettazione
strutturale del motore
Traccia scelta: Sovralimentazione del motore esistente

2. Introduzione
La scelta del tipo di sovralimentazione è ricaduta sul compressore volumetrico, modello Eaton M24.
Il principale vantaggio di questo organo rispetto al turbocompressore è il regime di rotazione
proporzionale al numero di giri del motore, che permette un’erogazione lineare e priva di ritardo
alla risposta (turbo-lag). Data l’applicazione del motore su una motocicletta, e considerando
l’elevata potenza finale raggiunta dall’unità a fine dimensionamento, questo aspetto è stato
ritenuto fondamentale per non compromettere la fruibilità del veicolo.
Il compressore permette una varietà di PR nell’intorno del regime massimo del motore (13500 rpm),
ma i valori estremali sono stati scartati in quanto PR troppo bassi non rendono proficua l’adozione
di un organo così complesso quale è il compressore, mentre valori troppo alti rischiano di
stravolgere la geometria del motore per far fronte all’elevata pressione. La pressione di
sovralimentazione scelta è di 1.5 bar.
Tramite la sua applicazione è stato possibile incrementare la potenza del motore, e ciò ha reso
necessari degli interventi per soddisfare tutte le condizioni riguardanti i coefficienti di sicurezza: le
principali soluzioni adottate sono state l’aumento delle sezioni resistenti ed eventualmente delle
pressioni ammissibili di contatto.
Una volta soddisfatti tutti i requisiti, si è scelto di modificare ulteriormente delle quote con lo scopo
di definire un motore ad alte prestazioni. I dettagli di tali interventi sono contenuti nei relativi
paragrafi.
Primi risultati: combustione
Stabilito il PR, si è interpolato i valori di tabella per ricavare portata e rendimento isoentropico a
13500 rpm ottenendo:
Portata 267.4 m3/h
Rendimento isoentropico 61.95 %
Il rendimento isoentropico è necessario per calcolare la temperatura reale di aspirazione, che
differisce da quella ambiente. Altro rendimento di cui si è tenuto conto è quello meccanico a
potenza massima, ridotto del 5% (stimato) per includere le perdite dovute all’accoppiamento con il
nuovo organo. Si ottiene quindi una potenza massima effettiva di 172.80 CV e una coppia massima
effettiva di 89.87 Nm, che corrispondono ad incrementi attorno al 40%.
L’immediata conseguenza è l’aumento dei carichi agenti nel manovellismo, che ha reso necessario
intervenire per riportare i componenti in sicurezza.

3. Pistone
Il primo organo del manovellismo
su cui si è intervenuto è il pistone,
costruito in lega di alluminio
AlCu4MgSi.
Data l’elevata pressione in
camera (+45.7%) il cielo è stato
incrementato nello spessore, e
nella parte inferiore è stata
adottata una configurazione box-
n-box per ridurre ulteriormente
l’inflessione. Le nervature secondarie hanno uno spessore inferiore a quelle principali in quanto la
lunghezza dello spinotto è comunque generosa rispetto all’alesaggio.
Il secondo segmento è stato rimosso per ridurre le perdite per attrito, dato il target fissato di motore
ad alte prestazioni. E’ stato quindi possibile diminuire l’altezza della corona, a cui sono seguiti gli
interventi per diminuire l’estensione circonferenziale del mantello insieme alla sua lunghezza,
ulteriormente scaricato nelle zone estremali.
Le portate sono state diminuite nella loro estensione assiale intervenendo sulle pressioni specifiche
dello spinotto.
Il contenimento della massa è risultato limitato (-9.4 g) nonostante gli alleggerimenti, a causa
dell’adozione di una geometria box-n-box completa, giustificata dal considerevole aumento di
pressione.
Parametri di intervento
Spessore cielo: 6.50 mm (+1.00 mm)
Altezza corona: 13.50 mm (-3.00 mm)
Altezza mantello: 20.00 mm (-2.00 mm)
Altezza di Compressione: 21.00 mm (-0.50 mm)
Distanza tra le portate pistone: 20 mm (+3.00 mm)
Larghezza portate del pistone: 13 mm (-4.25 mm)
Estensione circonferenziale mantello: 60 ° (-6.6 °)
Spessore nervature: 3 mm (+1.00 mm)

4. Spinotto
Lo spinotto costituito da acciaio 16NiCr4
presentava dei coefficienti di sicurezza inferiori
ad 1 in seguito all’aumento di pressione e alla
riduzione della sua lunghezza. La prima
operazione è stata incrementare le pressioni
ammissibili, in quanto i valori originali erano
lontani da quelli limite, ma il risultato non è
stato sufficiente a garantire la sicurezza del
componente.
Si è scelto di aumentare il diametro esterno e successivamente lo spessore per soddisfare i requisiti:
risulta un valore di 5 mm, sicuramente importante se confrontato con la dimensione originale. La
distanza tra le portate è stata scelta volutamente ampia per alloggiare il piede di biella nella nuova
configurazione ad H.
Per ultimo, è stata eseguita una rastrematura delle estremità, in quanto meno sollecitate.
Nonostante questo accorgimento, l’aumento di peso è stato del 49%. Questa massa va inserita nel
contesto delle masse alterne, e a fine dimensionamento si è visto che contribuisce solo per il 22%
del totale.
Parametri di intervento
Coefficiente per il calcolo lunghezza spinotto: 0.60 (-0.10)
Lunghezza dello spinotto scelta: 40 mm (-5.50 mm)
Pressione ammissibile pistone: 110 Mpa (+40 Mpa)
Pressione ammissibile biella: 170 Mpa (+45 Mpa)
Distanza tra le portate scelta: 20 mm (+4.00 mm)
Spessore spinotto scelto: 5.00 mm (+2.00 mm)

5. Biella
La modifica principale che ha coinvolto questo
componente è stata il passaggio ad una configurazione
ad H, a cui sono seguiti degli adeguamenti di materiale
(passaggio da acciaio a titanio Ti6Al4V) e di riduzione
della lunghezza per aumentare la resistenza a carico di
punta, tramite riduzione del raggio del contrappeso.
Il piede è stato adeguato per accogliere il nuovo spinotto,
e presenta 2 fori disposti a 45° rispetto la verticale per
consentire una adeguata lubrificazione del contatto. La
larghezza generosa è stata necessaria per contenere le
pressioni specifiche, e deriva dalle scelte fatte a monte
sullo spinotto.
Tutti i coefficienti di sicurezza sono soddisfatti. La
geometria molto scaricata nelle zone di raccordo e del
collegamento bullonato, unitamente al materiale
utilizzato, ha permesso una riduzione di peso del 33%
sulla biella assemblata.
Parametri di intervento
FUSTO
Larghezza biella: 18 mm (+10.50 mm)
Spessore costole: 2.00 mm
Spessore anima: 3.00 mm (+0.50 mm)
Raggi di raccordo interni ed esterni
PIEDE
Larghezza piede: 18 mm (+2.00 mm)
Raggio interno: 9.00 mm (+1.00 mm)
Raggio di raccordo esterno
COLLEGAMENTO TESTA-FUSTO
Larghezza testa: 18 mm (+3.00 mm)
Spessore centrale: 8 mm (-4.50 mm)
Costole: 2.00 mm
Raggio interno: 22 mm (+5.00 mm)

6. CAPPELLO
Larghezza: 18 mm (-2.00 mm)
Spessore radiale: 8.00 mm (-0.50 mm)
Costole: 2.00 mm
Boccola e bronzine
Il materiale di boccola e
bronzine è invariato. Le uniche
variazioni introdotte sono state
di adeguamento alle
dimensioni degli organi a cui si
collegano, in particolare
diametri interno ed esterno, ed
estensione assiale.
La boccola presenta 2 fori a 45° coassiali con quelli presenti nel
piede di biella, mentre le bronzine sono vincolate assialmente attraverso delle unghiate che si
accoppiano con i rispettivi scansi presenti nella testa e cappello della biella.
Viti
Il materiale delle viti è 36NiCrMo16, e c’è stata
una profonda variazione delle loro quote.
I diametri esterno ed interno della testa sono
stati diminuiti, e compaiono ora 2 gole di
scarico. La prima è in corrispondenza della
battuta della testa, permettendo una maggiore
superficie di contatto, mentre la seconda è posizionata tra gambo e filettatura.
La lunghezza del gambo è stata ridotta a favore di un numero maggiore di filetti in presa.
Parametri di intervento
Diametro esterno testa vite: 10 mm (-3.00 mm)
Diametro interno testa vite: 8.00 mm (-1.00 mm)
Diametro gola di scarico: 7.00 mm (prima non presente)
Diametro centraggio: 8.50 mm (+0.50 mm)

7. Diametro gambo: 7.50 mm (+0.50 mm)
Lunghezza gola di scarico: 1.00 mm (prima non presente)
Lunghezza centraggio: 4.00 mm (-1.00 mm)
Lunghezza gambo: 6.00 mm (-11.00 mm)
Lunghezza filetti non in presa: 1.00 mm (+1.00 mm)
Lunghezza filetti in presa: 18 mm (+3.00 mm)
Campata
Le modifiche sulla campata (acciaio 42CrMo4)
sono state varie. La variazione del diametro
della testa di biella ha richiesto di adeguare il
relativo perno, e successivamente è stata
diminuita la sua lunghezza.
Il raggio del contrappeso è stato diminuito in
seguito alla scelta di utilizzare una biella più
corta, e di conseguenza è stato aumentato
l’angolo di apertura delle maschette.
E’ stato scelto di fare una completa
equilibratura locale, e a causa degli elevati
carichi agenti sono state introdotte delle
pastiglie in tungsteno (elevata densità) per
contenere l’ingombro dei contrappesi: sono 3
per ogni maschetta, disposte lungo una circonferenza centrata nel perno di banco. Nella parte
inferiore sono stati adeguati i fori di equilibratura, che dopo numerose prove hanno permesso di
ottenere un errore inferiore allo 0.06% rispetto al valore ideale.
L’aggiunta di un secondo canale di lubrificazione permette un corretto funzionamento del
manovellismo.
Parametri di intervento
Diametro esterno perno di biella: 41 mm (+10 mm)
Lunghezza perno di biella: 18 mm (-2 mm)
Raggio contrappeso: 53 mm (-3 mm)
Angolo di apertura maschette: 42° (+6 °)

8. CONCLUSIONI
L’adozione della sovralimentazione tramite compressore volumetrico ha comportato un importante
incremento della potenza, portandola a 172.80 CV. Conseguentemente i carichi agenti sono
aumentati, e numerosi coefficienti di sicurezza erano inferiori ad 1.
Intervenendo sul manovellismo attraverso la variazione di numerose quote è stato possibile
soddisfare tutti i requisiti riguardanti i coefficienti di sicurezza.
Alcuni accorgimenti geometrici uniti all’adozione di materiali più leggeri hanno permesso di
contenere le masse. Si segnala in particolare una diminuzione di 94 g sulla sola biella assemblata.
Le prime 2 frequenze proprie del manovellismo sono entrambe diminuite ma rimangono ben oltre
i valori di rotazione del motore e non ne compromettono la funzionalità.
Possibili sviluppi futuri
L’adozione del compressore ha comportato un forte aumento della pressione in camera (+45.7%).
In ottica generale, per permettere un corretto funzionamento del motore si consiglia di diminuire il
rapporto di compressione e/o diminuire l’anticipo all’accensione, per non incorrere nel fenomeno
di detonazione.