Design of a crankshaft for a V8 race car engine

This manuscript presents a Master thesis work on the design and analysis of a crankshaft for an 8-cylinder race engine. The work has been carried out in collaboration with Robby Moto Engineering company and it’s the first step for the realization of a V8, naturally aspired, 3000 cc engine, for automotive competitions. In the design phase, the geometry and initial dimensions of the crankshaft are defined; A flat-plane configuration is chosen, Bore and Stroke dimensions, as well as the journal diameters are determined according to both simple analytical calculations and experience of RME engineers. Said choices aim at obtaining the maximum engine power while keeping the lightest structure possible. In the following step, fatigue assessment is performed by estimating the stress cycle through a series of static analyses. To do so, an Abaqus-Matlab routine is implemented; It computes the stress state for each 6° crank-angle, with a total of 120 static analyses. The most critical working condition is investigated; it corresponds to a rotational speed equal to 12,000 rpm and the throttle valve fully open. Multiaxial Sines high cycle fatigue Criterion is adopted, and according to the results coming from the analyses, the crankshaft geometry is improved until an optimal condition is reached.

Questo trattato presenta un lavoro di tesi di laurea Magistrale relativo alla progettazione ed analisi di un albero a gomiti per motore ad 8 cilindri. L'attività è stata svolta in collaborazione con l'azienda Robby Moto Engineering, come primo passo per la realizzazione di un motore da competizione V8 aspirato. Nella fase iniziale di progettazione sono state definite la geometria e le dimensioni preliminari dell'albero: è stata scelta una configurazione ad albero piatto (flatplane), i valori di corsa ed alesaggio dei cilindri e i diametri dei perni di banco e di biella. Queste scelte sono state prese sulla base di calcoli analitici e dell'esperienza aziendale, con l'obiettivo di massimizzare le prestazioni ed ottenere una struttura dell'albero il più possibile snella e leggera. La fase di analisi è stata incentrata sulla verifica a fatica dell'albero. Una procedura di calcolo incrociata Abaqus-Matlab ha permesso di ricostruire il ciclo di sforzo in ogni punto dell'albero, combinando i risultati di una serie di analisi statiche. Su un ciclo di carico completo (720° per un motore a 4 tempi) sono state condotte un totale di 120 analisi, con una rotazione di 6° di manovella tra una condizione di carico e quella successiva. L'albero è stato sottoposto ad una verifica a vita infinita nella condizione di lavoro più critica: a pieno carico e alla velocità di rotazione di 12000 giri/minuto. Si è adottato il criterio di Sines per la fatica multi-assiale. I risultati delle analisi hanno permesso di cambiare iterativamente la geometria dell'albero, fino al raggiungimento di una condizione di progetto ottima.