Sostituti della biella nel motore a scoppio

[Bounty_]

E' possibile sostituire la biella di un motore a scoppio a ciclo diesel con uno dei 2 seguenti meccanismi?
E se si' che vantaggi o svantaggi comportano?





Ovviamente usando ingranaggi elicoidali come quello al centro della seguente foto:


Grazie in anticipo per le risposte.

Ciao

[hibone]

non sono un meccanico, ma credo che con quei meccanismi al massimo puoi sostituire l'albero motore...

la biella inteso come braccio con moto alternativo, come si vede dai disegni permane, anche se assume una forma diversa...

a parte questo un approccio del genere ti permette di introdurre dei riduttori o simili...

il fatto che però non vengano attualmente utilizzati rappresenta già una risposta...

le ragioni penso siano semplici.
maggiore complessità = maggiori costi ( produttivi e di assemblaggio ) e minore robustezza, probabilmente maggior peso, e nessun vantaggio (almeno in apparenza)...
etc etc

[sider]

Originariamente inviato da Bounty_

E' possibile sostituire la biella di un motore a scoppio a ciclo diesel con uno dei 2 seguenti meccanismi?
E se si' che vantaggi o svantaggi comportano?





Ovviamente usando ingranaggi elicoidali come quello al centro della seguente foto:


Grazie in anticipo per le risposte.

Ciao

Avendo lavorato per 4 anni nell'ufficio progettazione di una fabbrica di motori diesel , posso dirti che tutto quello che c'era da inventare a livello meccanico di basso livello è stato inventato e sperimentato.
Qualche margine c'è ancora sull'iniezione e sulla distribuzione, ma sull'imbiellaggio c'è poco da migliorare.
.

[Wilcomir]

il primo trasforma moto rotatorio i moto rettilineo alternato, e non viceversa...

ciao!

[Bounty_]

Originariamente inviato da Wilcomir

il primo trasforma moto rotatorio i moto rettilineo alternato, e non viceversa...

ciao!

Leggendo meglio l'inglese, credo dica proprio quello che dici tu, ma allora resta valido
ancora il 123.
Avrebbe come vantaggio di avere sempre la forza tangente all'asse di rotazione
mantenendo quindi lo sforzo applicato quasi costante per tutto il giro dell'albero motore;
la biella invece avrebbe invece un'angolo diverso a seconda della posizione durante il ciclo.


Forse e' meglio usare un ingranaggio come questo:

Originariamente inviato da hibone

maggiori costi ( produttivi e di assemblaggio )

Si' ci avevo pensato, ma vorrei conferma.

Ciao

[hibone]

Originariamente inviato da Bounty_

il 123.
Avrebbe come vantaggio di avere sempre la forza tangente all'asse di rotazione
mantenendo quindi lo sforzo applicato quasi costante per tutto il giro dell'albero motore;
la biella invece avrebbe invece un'angolo diverso a seconda della posizione durante il ciclo.


Ciao

per considerazioni di questo tipo dovresti anche valutare come varia il moto del cilindro in conseguenza dello scoppio... voglio dire che l'accelerazione sarà massima in prossimità del punto morto superiore e minima al punto morto inferiore, per cui comunque la forza applicata varia...

inoltre in questo caso lo sforzo verrebbe a sollecitare i denti degli ingranaggi con la produzione di attrito considerevole, e di sforzi significativi per mantenere in sede gli ingranaggi. la biella, innanzi tutto lo sforzo applica all'intero supporto, che ha una superficie molto maggiore rispetto ai pochi denti dell'ingranaggio, e che può ospitare le bronzine per ridurre notevolmente il conseguente attrito e quindi l'usura...

credo anche che la forma di "appoggio" a forcella sull'albero, permetta di distribuire meglio gli sforzi, permetta di irrobustire la biella e consenta di evitare i "salti"...

chiaramente non mi interessa sostenere questa o quella tesi, faccio solo presente ciò che posso concludere ad un'analisi approssimativa...

tornando al fatto che cambia l'angolo della biella non ti so dire quanto questo influisca negativamente:

il fatto che comunque il collegamento è rigido dovrebbe far si che tutta l'energia sviluppata al pistone (meno gli attriti) venga trasferita all'albero, in quanto il "braccio" tra l'asse dell'albero motore e il giunto albero-biella dovrebbe bilanciare la componente di forza ortogonale alla biella stessa, anche se valutare la risultante così mi è difficile

per contro usando gli ingranaggi (pignone cremagliera ) dato il profilo dei denti, la componente di forza ortogonale alla cremagliera andrebbe ad scaricarsi sul supporto dell'ingranaggio, però anche qui senza una simulazione ben fatta ed accurata, si rischia di parlare di lana caprina...

[sider]

maggiore complessità costruttiva, maggiore rumorosità meccanica, maggiori costi, maggiori probabilità di guasti.
La cara e vecchia biella fila che è un piacere.

[lucusta]

la caraq vecchia biella fila che e' un piacere, ma se non gli metti alberi antivibrazione antirotanti, le forze di 2° ordine non le bilancerai mai alla perfezione, se non in un pluricilindrico boxer 12 (e' per questo che ferrari lo fece per le sue granturismo).
il motore endotermico ha ancora parecchi progressi da fare, sia in ambito meccanico, sia in ambito del maggior sfruttamento della carica..

[momo-racing]

secondo me dispositivi del genere aumenterebbero a dismisura:
- il peso
- gli attriti
- la fragilità della biella manovella.

Inoltre agli elevati giri di rotazione di un motore e considerando il moto alternativo della biella direi che nei punti di massima accelerazione e decelerazione in corrispondenza delle inversioni del moto alla lunga quel meccanismo finisce per sfasciarsi molto prima di una comune biella manovella.

[serbring]

per ora l'unica mofidica sensata che ho trovato sul classico manovellismo è quello di usare un coppia di ruote dentate ellittiche che ingranano. In questo modo si riesce ad imprimere al pistona la legge di moto voluta, ma è ancora presente la biella, che è accoppiata ad una delle due ruote dentate.

[serbring]

per ora l'unica mofidica sensata che ho trovato del classico manovellismo di spinta è quella di usare un coppia di ruote dentate ellittiche che ingranano. In questo modo si riesce ad imprimere al pistone la legge di moto voluta, ma è ancora presente la biella che è accoppiata ad una delle due ruote dentate.

[aceto876]

Originariamente inviato da Bounty_

cut

Visto che mi rimbalza il PM (pieni?) rispondo qui la mia opinione

Il meccanismo 114 non è certamente in grado di trasformare il moto alterno di un motore volumetrico in moto rotatorio. in primo luogo perchè non è in grado di vincolare la corsa. se il pistone spinge in giù la cremagliera, questa rimarrà vincolata al moto del settore dentato, ma quando i denti di quest'ultimo sono finiti, prima che si impegnino nella cremagliera opposta può succedere qualsiasi cosa. A esempio la corsa della doppia cremagliera proseguirebbe per inerzia facendo impattare i vari elementi fra di loro. Pesiamo poi anche a cosa succede all'inversione del moto. Il corsoio con le due cremagliere ha la sua inerzia, il settore dentato ha la sua inerzia. Intanto che sono impegnati i denti vanno assieme, ma quando il settore si disimpegna e si va ad impegnare coi denti opposti, le velocità sono opposte e quindi si ha un urto clamoroso. Un sistema del genere può funzionare solo a bassissime velocità.

Il meccanismo 123 invece è leggermente più complesso, ma fa sostanzialmente le stesse cose. Semplicemente vede sdoppiato il settore dentato. In questo meccanismo c'è un'aggiunta importante: l'inversione di moto è gestita da una camma sulla ruota centrale dell'ingranaggio. Probabilmente questo rende possibile l'uso del sistema per trasformare il moto alterno del pistone in moto rotativo. Rimane, anche se ridotto, il problema delle accelerazioni. Posso supporre che, se la camma di raccordo tra la salita e la discesa della cremagliera fosse ben studiata, la cinematica del sistema non generi urti. Tuttavia le accelerazioni della cremagliera sarebbero tutte concentrate nella fase di lavoro della camma. Durante la fase di impegno dei settori dentati invece il moto sarebbe a velocità costante (supponiamo per comodità che il volano sia enorme). Rispetto ad un manovellismo ordinario questo comporterebbe maggiori accelerazioni massime e un alto jerk (derivata delle accelerazioni) che eccita fenomeni vibratori. Quindi pur se migliore del precedente questo sistema SECONDO ME è poco adatto a lavorare ad alta velocità. Per migiorare la faccenda delle accelerazioni bisognerebbe ridurre il tratto a velocità costante, di conseguenza l'ampiezza dei settori dentati. Alla fine ci si troverebbe ad eliminare le dentature e a far lavorare il sitema solo su camma (con tutti i problemi del caso, come pressioni di contatto, lubrificazione, attriti, etc )

[lucusta]

questa che ti sembra?
alberi monolitici
bielle monolitiche (in pratica i cuscinetti di banco sono posti tra' le bielle, e le bielle lavorano a sbalzo, cosi' non c'e' bisogno di usare dadi di ritegno per la testa di biella o alberi motori a giunzione per intersezione)
bilanciamento totale delle forze di 1° e 2° ordine
ultraquadro (alesaggio 3-4 volte la corsa)
il decentramento della biella consente una decellerazione meno accentuata, oltre al fatto che le forze trasversali dei piede di biella si autobilanciano sul pistone, e non sulle fasce/cilindro.

e' una configurazione che ideai 20 anni fa', ma non ho mai avuto il piacere di vederla prodotta;
esiste un brevetto di roberto gallina, per una cosa simile a 2 bielle, ed un progetto di una moto custom diesel, ma sono cose molto diverse da questa...

[sider]

Originariamente inviato da lucusta

la caraq vecchia biella fila che e' un piacere, ma se non gli metti alberi antivibrazione antirotanti, le forze di 2° ordine non le bilancerai mai alla perfezione, se non in un pluricilindrico boxer 12 (e' per questo che ferrari lo fece per le sue granturismo).
il motore endotermico ha ancora parecchi progressi da fare, sia in ambito meccanico, sia in ambito del maggior sfruttamento della carica..

Progressi ce ne potrebbero essere, ma le aziende guardano il profit, e finchè una cosa costa poco, fa il suo lavoro e non si rompe hai voglia a cambiarla.
D'altro canto anche nei motori di formula 1 usando ancora la biella-manovella e qualcosa dovrà pur dire.
La ricerca va nella riduzione dei consumi e delle emissioni , e dei costi cercando anche di ridurre il numero dei componenti del motore, sistemi come quello di cui si discute sono improponibili se non per un prototipo a scopo di studio, senza futuro produttivo.

[Bounty_]

Vantaggi:
Avrebbe sempre la forza tangente all'asse di rotazione
mantenendo quindi lo sforzo applicato quasi costante per tutto il giro dell'albero motore;



Svantaggi

Originariamente inviato da sider

maggiore complessità costruttiva,
maggiore rumorosità meccanica

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Originariamente inviato da sider

La ricerca va nella riduzione dei consumi e delle emissioni

Con tutti i suv che si vendono gli esperti di mercantaggio ti direbbero che basta creare un'esigenza e vendi anche il frigorifero agli eschimesi, comunque
qui' mi interessavano gli aspetti tecnici e i vantaggi, svantaggi delle 2 configurazioni, di cui ho visto che hai correttamente contribuito, grazie .

Originariamente inviato da serbring

per ora l'unica mofidica sensata che ho trovato sul classico manovellismo
è quello di usare un coppia di ruote dentate ellittiche che ingranano.
In questo modo si riesce ad imprimere al pistona la legge di moto voluta, ma è ancora presente la biella,
che è accoppiata ad una delle due ruote dentate.

Hum, non ho ben capito.

Originariamente inviato da hibone

per considerazioni di questo tipo dovresti anche valutare come varia
il moto del cilindro in conseguenza dello scoppio... voglio dire che
l'accelerazione sarà massima in prossimità del punto morto superior
per cui comunque la forza applicata varia...

Si' pero' appena accellerato il pistone in un ciclo diesel applica una forza molto piu' costante di un ciclo otto

Era per questo che pensavo ad un ciclo diesel.

Originariamente inviato da hibone

inoltre in questo caso lo sforzo verrebbe a sollecitare
i denti degli ingranaggi con la produzione di attrito considerevole, e di sforzi significativi
per mantenere in sede gli ingranaggi. la biella, innanzi tutto lo sforzo applica all'intero supporto,
che ha una superficie molto maggiore rispetto ai pochi denti dell'ingranaggio, e che può ospitare
le bronzine per ridurre notevolmente il conseguente attrito e quindi l'usura...

Basta pensare agli ingranaggi del cambio :sostengo lo sforzo di tutto l'albero motore, non come
in questo caso di solo una coppia di pistoni, quindi ingranaggi opportuni non hanno affatto i
problemi che citi (a tua consolazione e' un'errore in cui e' cascato anche un mio caro amico).

Originariamente inviato da lucusta

la caraq vecchia biella fila che e' un piacere,
ma se non gli metti alberi antivibrazione antirotanti,
le forze di 2° ordine non le bilancerai mai alla perfezione, se non in un pluricilindrico boxer 12
(e' per questo che ferrari lo fece per le sue granturismo).
il motore endotermico ha ancora parecchi progressi da fare, sia in ambito meccanico,
sia in ambito del maggior sfruttamento della carica..

Io per bilanciare avevo pensato ad un boxer in cui un pistone e' collegato
ad un estremo della cremagliera del disegno 123 l'altro pistone collegato
a 2 cremagliere che ingranano a turno sui 2 ingranaggi piu' esterni e che
sono collegate a cartella come nel 114.
Effettivamente come bilanciamento non e' perfetto perche' 2 cremagliere
in una direzione pesano piu' dell'altra centrale che da sola va' nell'altra direzione;
ma se si irrobustisce quella centrale in modo che pesi come le 2 esterne
il bilanciamento e' perfetto senza usare contralberi.

Originariamente inviato da aceto876

Il meccanismo 123 invece è leggermente più complesso, ma fa sostanzialmente le stesse cose.
Semplicemente vede sdoppiato il settore dentato. In questo meccanismo c'è un'aggiunta importante:
l'inversione di moto è gestita da una camma sulla ruota centrale dell'ingranaggio.
Probabilmente questo rende possibile l'uso del sistema per trasformare il moto alterno
del pistone in moto rotativo. Rimane, anche se ridotto, il problema delle accelerazioni.
Posso supporre che, se la camma di raccordo tra la salita e la discesa della cremagliera fosse ben studiata,
la cinematica del sistema non generi urti.

Prima di tutto grazie tantissimo, se non era per te non mi accorgevo di quello
che tu chiami camma, a me' sembra un fermo costituito da un paio di pioli posti alle estremita'
della cremagliera che sono perpendicolari al foglio del disegno e che ingranano sulla
mezzaluna posta sull'ingranaggio centrale in modo da fermare la cremagliera
fintanto che disingrana un mezzo ingranaggio di un lato e ingrana quello dell'altro.

Originariamente inviato da aceto876

Quindi pur se migliore del precedente questo sistema SECONDO ME
è poco adatto a lavorare ad alta velocità.

Quali pensi che siano le alte velocita'? 10000giri/min, 3000giri/min, 1000giri/min, 500giri/min ?

Originariamente inviato da hibone

però anche qui senza una simulazione ben fatta ed accurata, si rischia di parlare di lana caprina...

Concordo, a questo punto "una simulazione ben fatta" ci vorrebbe.

Originariamente inviato da lucusta

questa che ti sembra?
alberi monolitici
bielle monolitiche (in pratica i cuscinetti di banco sono posti tra' le bielle, e le bielle lavorano a sbalzo,

cosi' non c'e' bisogno di usare dadi di ritegno per la testa di biella o alberi motori a giunzione per intersezione)
bilanciamento totale delle forze di 1° e 2° ordine

ultraquadro (alesaggio 3-4 volte la corsa)

il decentramento della biella consente una decellerazione meno accentuata,

oltre al fatto che le forze trasversali dei piede di biella si autobilanciano sul pistone, e non sulle fasce/cilindro.

e' una configurazione che ideai 20 anni fa', ma non ho mai avuto il piacere di vederla prodotta;
esiste un brevetto di roberto gallina, per una cosa simile a 2 bielle, ed un progetto di una moto custom diesel,
ma sono cose molto diverse da questa...

Mi sembra bilanciatissimmo!
La moto custom diesel la conosco e' la Neander:

http://www.neander-motorcycles.com/s...h/main_it.html

Ciao

[lucusta]

si, la neander e' la motocicletta che stavo citando.
il problema della neander, pero', e' che ha un pessimo bilanciamento; bilancia bene le forze di 2° ordine, ma per quelle di 1° ordine deve ricorrere a contrappesi non indifferenti, essendo un bicilindrico in linea.

per quanto riguarda gli alberi di manovella a sbalzo, intendo dire che invece di essere un normale albero a gomiti, con i supporti di banco alle estremita', ha i supporti interni e le manovelle per le bielle esterne, quindi a sbalzo; in questo modo si possono avere bielle monolitiche, in pezzo unico, aumentando la rigidita', robustezza, e ottenendo la semplificazione della lavorazione meccanica, eliminando perni di ritenuta della testa di biella.
comunque questa soluzione e' anche nella neander: gomiti a sbalzo, bielle monolitiche e supporti centrali, la loro lo fanno con 2 cilindri, io con solo uno...

alesaggio 3-4 volte la corsa significa che e' ben oltre l'iperquadro. alesaggi cosi' elevati si usano nei motori da competizione (F1); si ha una corsa molto corta, a parita' di cilindrata, che permette di ottenere elevato numero di giri, in quanto la velocita' media del pistone rimane entro valori accettabili per i materiali impiegati (prima si riteneva il limite nei 20m/s, ora si e' ampiamente superato questo limite), quindi di ottenere potenze specifiche piu' elevate; il rovescio della medaglia sono l'aumento di peso del pistone (ma in F1 si usano pistoni a profilo ridotto), e per ottenere forze laterali non troppo accentuate bisogna adottare bielle piu' lunghe.
la configurazione che ti ho mostrato non soffre del secondo aspetto, in quanto concentra le forze, annullandole, sul pistone stesso, e percio' le bielle possono essere lunghe poco piu' del doppio della corsa, che essendo molto corta permette un peso totale delle bielle, che seppur in 4, minore rispetto ad una normale biella per un motore quadro (alesaggio=corsa).

per la decellerazione/accellerazione del pistone esistono dei limiti fisici del materiale; questo manovellismo ha l'asse dell'albero decentrato rispetto all'asse dello spinotto (e' una soluzione usata anche nei motori normali); in questo modo s'imprime non un moto sinuosoidale regolare (mettendo su un asse cartesiano accellerazione e giro di manovella), ma con le spire piu' accentuate; ne comporta un'accellerazione e decellerazione che non sono speculari, ed in effetti i diagrammi non sono a 180°, ma presentano una fase di compressione piu' lunga rispetto a quella di espansione.
in parole piu' semplici, quando il pistone sta' in compressione la sua decellerazione e' molto piu' accentuata, percio' in questa fase la carica ha piu' tempo per miscelarsi, mentre quando si sta' in espansione si ha l'ulteriore vantaggio che la biella e' meno angolata rispetto all'asse del cilindro, quindi soggetta a forze quasi in asse con il proprio asse di simmetria longitudinale, quindi si puo' ottenere una biella piu' robusta e piu' leggera, e che trasmette la maggior parte della forza di espansione quando ha gia' superato gli 0°, avendo cosi' una leva piu' efficente.
essendo la neander molto simile lo puoi vedere sul suo motore:
non ha l'asse dell'albero motore e l'asse dello spinotto in linea, ma altamente decentrati, tale che il espansione la biella risulta quasi verticale.

il motore che avevo in testa io nacque come 8 cilindri a X per una moto, ma configurazioni 4/8/12 cilindri a X risultano ben piu' compatta di un 4/8/12 tradizionale (a V, in linea, boxer),, soprattutto pluri turbo; poi la semplificai in bicilindrico... anni dopo ho acquistato un cinquino e ho ritirato fuori l'idea dal cassetto...

[aceto876]

Originariamente inviato da Bounty_

Vantaggi:
Avrebbe sempre la forza tangente all'asse di rotazione
mantenendo quindi lo sforzo applicato quasi costante per tutto il giro dell'albero motore;

Se intendi che la cremagliera elimina la spinta laterale sul pistone, direi che tendenzialmente è vero. Però come tutti gli ingranementi (o almeno quelli ad evolvente che si usano solitamente ), anche la cremagliera ha un suo angolo di pressione, ossia le forze di contatto hanno un certo angolo di incidenza rispetto all'asse di traslazione. Questo angolo determina una spinta che farebbe allotanare pignone e cremagliera e che deve essere contrastata. Se vogliamo che questa forza non gravi sul pistone, ci vuole un pattino (ad esempio un pattino fisso all'altezza del pignone ma dal lato opposto della cremagliera e che scorre su una pista ricavata sul corsoio stesso). Diciamo che così mi ricorda un po' il manovellismo con testa a croce

Originariamente inviato da Bounty_

Prima di tutto grazie tantissimo, se non era per te non mi accorgevo di quello
che tu chiami camma, a me' sembra un fermo costituito da un paio di pioli posti alle estremita'
della cremagliera che sono perpendicolari al foglio del disegno e che ingranano sulla
mezzaluna posta sull'ingranaggio centrale in modo da fermare la cremagliera
fintanto che disingrana un mezzo ingranaggio di un lato e ingrana quello dell'altro.

La chiamo camma perchè la forma di quel fermo può essere tale per cui non vi sia un impatto tra piolo e fermo, ma potrebbe essere fatto in modo tale impegnarsi e disimpegnarsi con velocità relativa del piolo parallela alla superficie del fermo. Quindi l'inversione di moto sarebbe "morbida"

Originariamente inviato da Bounty_

Quali pensi che siano le alte velocita'? 10000giri/min, 3000giri/min, 1000giri/min, 500giri/min ?

Domanda da 1M€ ... Direi che in dimensionamento per un motore a combustione interna richiederebbe ingranaggi con dentature importanti e un corsoio robusto e IN ACCIAIO (le dentature devono essere indurite fortemente e questo sull'acciaio riesce molto bene con costi accettabilissimi. Su leghe leggere.... è un po' meno facile, che io sappia. Magari, chessò, le leghe alluminio-berillio vanno benissimo, ma personalmente non ho nessun dato su pressioni hertziane limite al pitting o qualsiasi altra cosa utile per il calcolo di una dentatura ) Quindi le inerzie dell'equipaggio mobile sarebbero svantaggiosissime... La sparo: 1000 giri/min credo siano possibili su macchine piccole. A voi i calcoli e la smentita...

[lucusta]

e' piu' efficace su un motore di grandi dimensioni a 100 giri al minuto, e anche piu' facilmente realizzabile.

questo e' l'esempio di un motore da 100rpm!

EDIT: ah... come si puo' notare dallo spaccato, per evitare lo strisciamento del pistone sul cilindro, si usa un doppio manovellismo come biella, ossia un'asta su cui e' incernierata la biella, e non un attacco diretto.
usando il 123 si elimina questo particolare, e l'albero motore sarebbe piu' semplice da lavorare (in relazione alle sue dimensioni...).

[aceto876]

Originariamente inviato da lucusta

EDIT: ah... come si puo' notare dallo spaccato, per evitare lo strisciamento del pistone sul cilindro, si usa un doppio manovellismo come biella, ossia un'asta su cui e' incernierata la biella, e non un attacco diretto.

La testa a croce:

[lucusta]

si, esatto aceto, anche se in quel particolare motore hanno rinunciato alla seconda camera di combustione per ottenere una pompa di lavaggio, essendo quello un 2T diesel.
in effetti quei tipi di motori sono piu' unici che rari, in quanto non si puo' parlare di motori in serie, ma adattati e riprogettati ogni volta per le specifiche esigenze (in questo caso a seconda della nave che li monta).
d'altronde, un motore che ha una valvola di ammissione alta quanto un uomo ha sempre le sue particolarita'...