• analysis
• Cylinder
• elements
• finite
• liner

Sono state condotte delle analisi agli elementi finiti e dei rilievi sperimentali per valutare l’entità delle deformazioni presenti nelle canne cilindro durante l’assemblaggio di un motore motociclistico V4. Nei motori ad elevate prestazioni si preferisce spesso adottare un basamento che prevede il piantaggio di canne riportate in modo da poter utilizzare materiali con caratteristiche diverse. Il forzamento, il serraggio degli accoppiamenti filettati e la guarnizione tra testa e basamento generano delle distorsioni nelle superfici interne delle canne e ciò può ridurre la conformabilità dei segmenti elastici [1]. Le distorsioni delle canne cilindro nei motori a combustione interna possono quindi causare un elevato consumo di olio, di carburante ed anche il blow-by [2]. Questo studio è stato affrontato dopo aver osservato questi fenomeni in alcune prove al banco del motore analizzato. Per la simulazione dell’assemblaggio è stato realizzato un modello agli elementi finiti caratterizzato da non linearità dovuti ai contatti con attrito tra corpi deformabili ed anche dalla caratteristica non lineare dell’anellino di tenuta che viene schiacciato e deformato plasticamente tra testa e basamento. I rilievi sperimentali sono stati eseguiti prima con la macchina a scansione 3D DEA per caratterizzare le canne e le loro sedi nel basamento prima di essere montati. Durante le fasi di assemblaggio sono stati utilizzati sia la DEA che l’Incometer con l’ausilio dei simulacri di teste e semicarter inferiore. Durante questi rilievi si è riscontrato un ottimo accordo tra le due tipologie di strumentazione. Le fasi di assemblaggio considerate sono state:
1. Piantaggio delle canne e montaggio dei prigionieri.
2. Serraggio del simulacro di semicarter inferiore.
3. Serraggio dei simulacri delle teste con e senza anellini di tenuta.
Per valutare le distorsioni delle superfici interne delle canne sono stati calcolati i coefficienti di Fourier in cinque sezioni lungo l’asse di ogni canna. Essi rappresentano le ampiezze e le fasi delle armoniche di ogni forma rilevata e vanno confrontate direttamente con i limiti di conformabilità dei segmenti elastici, secondo il modello GOETZE [3]. Fin quando il modello FEM era basato sulla forma cilindrica iniziale delle sedi canne, come da modello CAD, non si era ottenuto una congruenza numerico-sperimentale. Un buon accordo in tutte le fasi di assemblaggio si è ottenuto solo dopo aver riprodotto le forme iniziali delle sedi canne secondo i rilievi sperimentali. A questo punto è stato simulato il montaggio del motore con le teste e il semicarter inferiore, che non può essere misurato sperimentalmente. I risultati sono stati confrontati con i limiti di conformabilità del primo segmento elastico riscontrando il superamento dell’armonica del quarto ordine (quadrilobata) nelle sezioni più alte delle canne. Per ridurre l’ampiezza di questa armonica è stato ottimizzata una piastra in acciaio da serrare al posto delle teste durante la lavorazione delle sedi delle canne, ottenendo una riduzione del 50% dell’ampiezza del 4° ordine alla fine del montaggio. Lo step successivo sarà l’introduzione dei carichi termici per valutare le deformazioni delle canne durante il funzionamento del motore.

Finite element analysis and experimental measurements were performed for estimating the distortion in cylinder liners due to assembly in a V4 motorcycle engine. In high performance engines the cylinder liners are usually interference-fitted into the engine block, and, therefore, different materials can be used for both parts. Since the bolts tightening and the cylinder head gaskets produce distortions on the inner surfaces of the cylinder liners, the conformability of piston rings with the cylinder liners may be significantly reduced [1]. The distortion of the cylinder liners of internal combustion engines has a significant effect on engine operation such as oil consumption, blow-by, wear behavior and fuel consumption [2]. This study was prompted by the occurring of the above effects in some endurance bench test. A non linear FEA model was setup to accommodate for the deformability of the contacting bodies and the material characteristics of the toroidal steel ring gasket pressed plastically between the head and the block. First, experimental measurements were performed with 3D coordinates instrument DEA, starting from the characterization of free components such cylinder liner surfaces and their seats in the engine block. Both DEA and Incometer were used for measuring distortions in cylinder liners during assembly with the aid of a simulacrum for head and gearbox. A good agreement was observed amongst measurements obtained by both instruments. Three assembly steps were considered: 1. Cylinder liners fitting and studs mounting. 2. Tightening of engine block against a dummy gearbox. 3. Tightening of equipment that simulates the cylinder head, with and without the toroidal ring gaskets. Fourier coefficients of the liners were calculated from five sections along the cylinder axis for measuring bore distortions. These coefficients represent the n-lobe amplitudes that must be directly compared with the conformability limits of piston rings in accordance to the GOETZE model [3]. Since the first FEA model was based on a cylindrical seat of cylinder liners in the free engine block, there was no agreement between numerical and experimental results. However, a good agreement was found between numerical and experimental measurements in the second FEA model with a real initial shape of cylinder liners seats in the engine block in all assembly steps. Finally a FEA model of the engine with real components, not experimentally measurable, was performed. These results were compared with the conformability limits of piston rings, and an overlap of the 4th order limits (cloverleaf distortion) in top section of cylinder liners was observed. An optimization of a steel plate tightened during the machining of cylinder liners seats was performed, and a reduction of 4th order amplitude of about 50% was obtained. The next step of this study is the introduction of thermal loads in FEA model for evaluating the cylinder liner distortions during the engine operation.