Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Altro che bielle e manovelle, ecco il Nutator!
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ALTRO CHE BIELLE E MANOVELLE, ECCO IL NUTATOR!
Una novità nel panorama dei motori a combustione interna: il Sanderson è l'alternativa al vecchio manovellismo di spinta.
RISTAMPA AUTORIZZATA DA "PROGETTARE", DICEMBRE 2001
Dal nome del suo inventore, Bob Sanderson, la soluzione omonima sostituisce infatti a biella e manovella un nuovo membro, brevettato e battezzato Nutator.
Nutation:-"Movement by which an axis is made to describe a cone."(O.E.D.)
Come mostra l'immagine della soluzione bicilindrica, il Nutator (in rosso) converte il moto lineare dei pistoni in rotazione all'albero di trasmissione. Variando il punto di applicazione del Nutator all'albero (in blu) si può cambiare la corsa utile.
Accoppiando poi due unità di cui una motrice e l'altra operatrice, si può ottenere un'efficientissima pompa o compressore a motore termico, in cui uno stesso Nutator serve sia per la parte pompa che per la parte motore!
Grazie alla prototipazione virtuale con il software MSC.visualNastran 4D (già noto come MSC.Working Model 4D), la Sanderson Engine Development, Ltd. (SED), presso Upton nel Massachusetts, ha potuto risparmiare mesi di sviluppo nel delineare la nuova soluzione per il meccanismo di trasmissione ed aprire un nuovo capitolo per le applicazioni in altri settori.
John Fox, general manager alla SED, riferisce che "abbiamo una nuova soluzione per il meccanismo di trasmissione del moto che richiede in effetti di pensare proprio in 3D per capire il suo funzionamento. Non è cosa semplice, ma il software MSC.visualNastran 4D ci ha messo in grado di dimostrare la fattibilità del concetto con un prototipo virtuale. Accelerando così la comprensione del nostro meccanismo, e allo stesso tempo verificando sforzi e deformazioni su parti e cuscinetti, siamo stati in grado di realizzare un processo di progettazione in cui è stato determinate e immediato il ruolo dei vari fornitori."
La SED, con il suo design innovativo che consente quasi di triplicare il rapporto potenza/peso sulle soluzioni Diesel convenzionali, sta creando un nuovo capitolo nella storia dei motori, delle pompe e dei compressori a pistoni. Non è escluso che di qui a poco tutti gli utilizzatori di questo basilare componente meccanico, quale il pistone, dovranno riconsiderare la loro produzione con la soluzione Sanderson. La SED sta infatti lavorando con vari fornitori per licenze di questa tecnologia in un grande numero di applicazioni, tra cui impianti di lavaggio auto, pompe ed idropulitrici, taglio a getto d'acqua, compressori per refrigeratori e motori Diesel.
Il vantaggio della soluzione SED consiste infatti nel modo con cui viene guidato il moto dei pistoni. Non è più necessario ricorrere a bielle e manovelle. Al loro posto, un organo meccanico innovativo, il Nutator, consente di realizzare motori, pompe o compressori che sono perfettamente bilanciati, riducendo al minimo gli attriti dovuti alle spinte laterali. In aggiunta, la compressione può essere modificata cambiando, in direzione lineare, la disposizione dell'albero di trasmissione.
William Rosa, ingegnere consulente presso la SED, afferma: "L'organo innovativo, il Nutator, appare come un cono con perni sul diametro esterno e ruota su un asse diverso da quello di simmetria geometrica. La parte posteriore del Nutator viene collegata ad un semplice giunto che oscilla sui piani XY e YZ. Il moto dei pistoni è puramente lineare, cosicchè questi risultano guidati senza l'introduzione di forze laterali. Nel classico manovellismo di spinta, invece, biella e manovella introducono spinte laterali indesiderate che dissipano energia per attrito, oltre a causare vibrazioni e rumore. La riduzione delle spinte laterali richiede l'uso di teste a croce e manovellismi più grandi, che ovviamente aumentano le inerzie e le dissipazioni. Soluzioni che infatti non vengono applicate nei motori automobilistici ma solo nei grossi impianti navali o statici."
Tra le varie applicazioni, al momento la SED si è indirizzata a tre settori specifici: pompe idrauliche, motori Diesel e accoppiamenti diretti motore/pompa.
Per ciascuna applicazione, le caratteristiche ed i benefici della soluzione con il Nutator si possono sintetizzare in:
Pompe idrauliche, caratteristiche
Pompe idrauliche, benefici
Motori Diesel, caratteristiche
Motori Diesel, benefici
Come esempio applicativo, le tre immagini seguenti presentano un motore a rapporto di compressione variabile sviluppato con la soluzione Nutator solution, come schematizzato nella prima illustrazione in testa a questa pagina. La SED ha usato in questo prototipo i cilindri di un motore aeronautico preesistente (Teledyne Continental O-200) per costruire rapidamente un prototipo fisico dopo la validazione virtuale fatta con il software MSC visualNastran 4D. Si tratta di un quattro tempi con rapporto di compressione che può essere variato da 7 : 1 a 12 : 1.
Accoppiamenti diretti motore/pompa, caratteristiche
Accoppiamenti diretti motore/pompa, benefici
Com'è stato possibile per la SED sviluppare l'idea del Nutator?
Innanzitutto, il software MSC.visualNastran 4D è stato utilizzato integrato nel CAD, in modo che le parti solide disegnate con SolidWorks venissero riconosciute senza possibili errori di conversione in formati di input/output. Le parti includevano il Nutator, i pistoni, i cuscinetti, l'abero, il volano e un giunto. L'ing. Rosa precisa: "Con un motore automobilistico c'è sempre qualcosa sbilanciato. Viceversa, con la soluzionev SED si può raggiungere il bilanciamento dinamico quasi perfetto. Pensiamo ad esempio di avere il modello di una pompa Sanderson in visualNastran. Basta mettere un vincolo matematico di motore visualNastran all'estremità del modello, in modo da trascinarlo, e misurare tutte le forze nei vincoli. Si può imputare l'azione del fluido sul cielo dei pistoni della pompa, inserendo ad esempio in visualNastran una forza con una funzione parametrica definibile dall'utente o interpolata con dati sperimentali. A questo punto è possibile ad ogni istante della simulazione cinetodinamica indagare su sforzi e sollecitazioni in ogni punto della macchina."
L'ing. Rosa continua, "MSC.visualNastran 4D ha fornito tutte le informazioni utili per il corretto dimensionamento del Nutator, che è il membro maggiormente sollecitato. Imputate le forze resistenti su ogni pistone, ho potuto visualizzare ad ogni istante della compressione il funzionamento del sistema, dopo aver correttamente bilanciato a vuoto il modello."
Uno degli obbiettivi della soluzione Sanderson è quello di allungare la vita utile della macchina. Pertanto è stato utilizzato nei calcoli un fattore di sicurezza 4. Continua l'ing. Rosa: "Al primo test virtuale con il visualNastran mi sono reso conto che le sollecitazioni erano molto elevate e che la soluzione originariamente disegnata al CAD era sottodimensionata. Il Nutator è stato così modificato per soddisfare la specifica di durata richiesta."
Costruire e provare un prototipo fisico è un approccio brutale, la cui risposta è solo sì o no. Ma non "come mai". In altre parole, se il test non viene superato non si può giudicare la serietà della non conformità. Grazie al prototipo virtuale, invece, la dinamica del sistema è immediatamente comprensibile e il giudizio qualitativo immediato. Continua ancora l'ing. Rosa: "Partendo solo da un prototipo fisico non avremo mai potuto capire il comportamento della soluzione ai vari carichi. Con la simulazione virtuale in visualNastran 4D possiamo cambiare qualsiasi grandezza e interattivamente analizzare le diverse sollecitazioni e deformazioni. Si esplora il funzionamento e la risposta della macchina in maniera esaustiva come non sarebbe certo possibile con un prototipo fisico. Se non si possiede questa informazione si è costretti ad esagerare con il fattore di sicurezza. Grazie al modello virtuale abbiamo potuto capire che quelle che ritenevamo applicazioni graduali di carico erano invece molto più repentinee, quasi impulsive, e abbiamo adeguato conseguentemente tutto il progetto."
"Elemento critico di tutto lo sviluppo ingegneristico è sempre la comprensione delle nuove soluzioni. La possibilità di analisi e documentazione fornita dal visualNastran, con il suo rendering fotorealistico dinamico associato all'analisi cinetodinamica e FEA, è stata imparreggiabile."
Il presidente della SED, Mr. Fox, conclude: "Abbiamo eliminato il manovellismo di spinta, ma sempre usando gli stessi pistoni, aste, valvole e tenute. La riduzione delle parti comporta un risparmio di peso anche del 50% rispetto ad una pompa convenzionale. Per giunta, il software MSC.visualNastran 4D è stato indispensabile non solo nella fase di calcolo ingegneristico, ma anche in quella di documentazione progettuale ed ha costituito con i suoi filmati il nostro linguaggio di scambio con le terze parti."
Riassumendo, i vantaggi della soluzione Sanderson sono:
Bilanciamento pressocchè perfetto
Meccanismo con basso attrito
Emissioni e consumi (Diesel)
Fare click qui per scaricare il filmato AVI
di questo motore Sanderson (2.8MB).
Fare click qui per un altro filmato AVI
relativo al motore a 5 cilindri con regolatore (6MB).
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