Dynamic models of the main sub-assemblies of a high performance engine

This thesis focuses on the analytical methodologies developed for the dynamic study of operational subsystems for the correct design of high performance internal combustion engines. The engine design phase is a synthesis of several concurrent engineering activities. An internal combustion engine is a highly complex system made by self-interacting sub-assemblies, each of which requires very specic skills and detailed know-how to be designed: it is nevertheless impossible to design each single component without considering its proper function and how it works coupled with all the other sub-assemblies in the complex engine system. This thesis will explore dierent topics and for each will give a detailed explanation of the analytical approach used to investigate and solve any specic task. The main matter discussed in this work is how to approach and analyse a lumped mass model both the single valve train and the complete chain drive system with a bending-torsional deformable camshaft in order to consider the self-interaction of the dierent valve train systems. In addition this lumped mass model approach is also used to compute and analyse in detail the complex dynamic behaviour of the whole chain drive system. A detailed 2D approach was also used to model the dynamic behaviour for each single link of a roller or silent timing chain drive. As a result it was possible to obtain a reliable and highly accurate model that can be used for calculating the timing drive eigenvectors as well as to describe and analyse the complex dynamic behaviour of hydraulic tensioners and for each chain link the capability to evaluate its tilt angle and the contact impact with the guides. In this thesis belt drive systems are also analysed. The dynamics and vibration of axially moving continua have been extensively studied. The most important output of the study conducted concerns the fact that to gain into the real dynamic behaviour of a serpentine belt drive system it is necessary to use a statistical approach: a deterministic approach is not sucient to detect the real dynamic response of such a complex dynamic problem. Lastly, the crankshaft dynamics has been in-depth analysed. A parametric model for the multi-cylinder engines has been developed. The contribution of the inertia unbalanced forces has been recognised as important. Various industrial case studies have been analysed. The modelling of the crankshaft dynamics allows the denition of external forces exerted on the engine and transmitted to the chassis through the engine mounts. The theoretical bases for the development of a predictive multibody model of the powertrain dynamics under the action of such external forces have been laid.

Questo progetto di tesi focalizza la sua attenzione sulle metodologie di analisi sviluppate per lo studio dinamico di sottoassiemi funzionali per un corretto design di motori a combustione interna ad elevate prestazioni. La progettazione di un motopropulsore e frutto di complesse attivita di concurrent engineering. Un motore e un insieme di sottosistemi interconnessi, dove ciascuno di essi assolve una specica funzione e richiede competenze speciche per essere progettato. Tuttavia non e possibile studiare un sottosistema isolato dagli altri per via delle forti correlazioni. Il lavoro si articola in diverse sezioni, ciascuna della quali volta a indagare nel dettaglio la metodologia di calcolo che di volta in volta si rivela piu idonea. Cuore dell'attivita e l'analisi della distribuzione condotta per mezzo di un modello a parametri concentrati. L'indagine esso-torsionale degli assi a camme sottolinea le interrelazioni funzionali tra i diversi cinematismi. Ampliando il dominio di analisi il modello a parametri concentrati e stato sviluppato per permettere lo studio dinamico del comando distribuzione. La cinematica planare delle catene silent e delle catene a rulli si e resa necessaria per analizzare la dinamica di ogni link delle catene. Forme modali del comando e frequenze di risonanza dello stesso permettono di raggiungere un livello di dettaglio non riscontrato in letteratura. Non solo la distribuzione benecia delle corrette torsionali che vengono in tal modo calcolate, ma il comando stesso si rivela essere oggetto di indagine scrupolosa per la dinamica dei tenditori idraulici e del moto di ogni link della catena: angoli di ingranamento e velocita di impatto su guide e rocchetti possono essere analizzate. I sistemi ausiliari comandati da cinghie sono stati invece trattati per mezzo delle equazioni del continuo. Si e evidenziato come solo un approccio statistico permette di individuare la corretta dinamica se l'obiettivo e l'ottenimento delle forme modali trasversali dei rami di cinghia. Non ultima la dinamica dell'albero motore e stata scandagliata nel dettaglio. Un modello parametrico per lo studio della dinamica di motori pluricilindrici e stato sviluppato. Importante in letteratura si e rivelato il contributo relativo all'analisi delle forze di inerzia sbilanciate. Dierenti architetture motoristiche, tra le piu proposte sul mercato, sono state oggetto di indagine. Una metodologia multibody per l'analisi dinamica del motopropulsore rigido e stata inne sviluppata, beneciando delle forzanti di input calcolate dall'indagine sull'albero motore.