STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN

SISTEMA PER LO SMORZAMENTO

DELLE VIBRAZIONI TORSIONALI

PER UN MOTORE AERONAUTICO

Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2007/2008 - 25 marzo 2009

Candidato:

Paolo Margotti

Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli

Correlatori: Prof. Ing. G. Caligiana

Prof. Ing. A. Liverani

Dott. Ing. C. Renzi

CONFIGURAZIONE DI PARTENZA

Propulsore per velivoli

ultraleggeri di derivazione

motociclistica: Yamaha R1.

Descrizione Valore Note

Potenza max.

all’albero motore110 kW (149

CV)

@ 10500 rpm,

rilevati*

Coppia max.

all’albero motore111 Nm (11.3

kgm)

@ 8250 rpm,

rilevati*

Regime max. di

funzionamento

dell’elica

2800 rpm

Il propulsore

deve accettare la

maggior parte

delle tipologie

d’eliche in

commercio.

Regime max. di

crociera10500 rpm

Durata di

funzionamento

> 1000 h, con

affidabilità

del 99%

Riduzione

dell’affidabilità a

piena potenza,

dall’originale

99,99%.

OBIETTIVI

Riferendosi a una

versione più performante

del propulsore, si vuole

realizzare:

I. Un sistema per

l’abbattimento delle

vibrazioni torsionali

II. Un nuovo e più efficiente

apparato riduttore,che

resista ai nuovi carichi

agenti

III. Un miglioramento e un

alleggerimento complessivo

di tutta la struttura:

basamento,naso

Descrizione Valore Note

Potenza max.

all’albero motore 183 kW

(250 CV)@ 14500 rpm,

Regime max. di

funzionamento

dell’elica

2800 rpm

Il propulsore

deve accettare la

maggior parte

delle tipologie

d’eliche in

commercio.

Regime max. di

crociera14500 rpm

Durata di

funzionamento

> 1000 h, con

affidabilità

del 99%

Riduzione

dell’affidabilità

a piena potenza,

dall’originale

99,99%.

ANALISI DELL’ALBERO

Al fine di dimensionare lo smorzatore è stata effettuata un’analisi delle vibrazioni che sono presenti sull’albero motore.

Per l’analisi è stato utilizzato un modello a parametri concentrati e il metodo dell’Holzer come prescrivono i Lloyd e tutti gli Enti Certificatori Aeronautici

Albero equivalente

Tao Armoniche

0

20

40

60

80

100

120

140

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1000

0

1100

0

1200

0

1300

0

1400

0

giri/min

MPa

Ordine 0,5

Ordine 1

Ordine 1,5

Ordine 2

Ordine 2,5

Ordine 3

Ordine 3,5

Ordine 4

Ordine 4,5

Ordine 5

Ordine 5,5

Ordine 6

Ordine 6,5

Ordine 7

Ordine 7,5

Ordine 8

Ordine 8,5

Ordine 9

Ordine 9,5

Ordine 10

Ordine 10,5

Ordine 11

Ordine 11,5

Ordine 12

Lloyd fc

Lloyd ft

Diagramma degli sforzi

torsionali

È riportato l’andamento delle

tensioni per gli ordini considerati

e le curve dei Lloyd

SMORZATORI:generalità

Per lo smorzamento delle vibrazioni precedentemente trovate

si è scelto di utilizzare uno smorzatore accordato a pendoli.

• Ne esistono in letteratura diverse tipologie e ne sono state

analizzate diverse prima di giungere a quella definitiva.

Funzionamento.

Il pendolo presenta una frequenza propria ω

che vale:

dove:

Ω velocità angolare del rotore;

r =distanza tra asse di rotazione del rotore

e cerniera del pendolo

L = lunghezza del pendolo

il rapporto ω/Ω dipende dal rapporto r/L ed è

indipendente dalla velocità angolare Ω del

rotore. Quindi lo smorzatore può essere

sintonizzato su una qualsiasi frequenza di

risonanza a prescindere dal valore di Ω,

agendo unicamente sui valori di r e L.

SMORZATORE 1°, 2°, 3°

SMORZATORE 1

SMORZATORE 2

SMORZATORE 3

Svantaggi:

1. massa elevata

2. i pendoli rotolando nella sede

si usurano e non garantiscono

più l’accordatura

Svantaggi:

Le masse sono piccole e

piccole sono le potenze

smorzanti

Buone potenze smorzanti e

semplicità costruttiva data dal

piccolo numero di elementi che

lo costituiscono

SMORZATORE FINALE

Ricercando un alleggerimento dello smorzatore e una migliordistribuzione delle masse, si è deciso di modificare lo smorzatore n°3fino al raggiungimento della seguente configurazione.

SMORZATORE FINALE:elementi

costitutivi

• DISCO: realizzato in acciaio,

viene accoppiato tramite

profilo scanalato all’albero

motore. Presenta delle asole in

cui vanno montati i perni che

sostengono i pendoli.

• PENDOLI: realizzati in tungsteno

(r=19000kg/m3) , per una migliore

distribuzione delle masse.

• PERNI: Fissati al disco

tramite accoppiamento

H5/s4.

SMORZATORE:analisi F.E.M.

Dato che il disco è l’organo maggiormente sollecitato nello smorzatore ed è

stato quanto più possibile alleggerito, è stata svolta un’analisi FEM utilizzando

lo strumento apposito Cosmos di Solidworks 2008.

Si sono posti i vincoli poi i carichi agenti

sulle asole e infine è stata effettuata la

meshatura

I risultati ottenuti verificano il disco sia in

termini di spostamenti, sollecitazioni e

deformazioni.

Sullo smorzatore è stata effettuata anche

un’analisi armonica per verificare che non

entri in risonanza.

RIDUTTORE Nella configurazione iniziale il riduttore

utilizzava delle ruote dentate cilindriche a denti

dritti, sulla ruota dentata montata sull’albero

elica ingranano le ruote degli alberi a camme e

quella della pompa, sulla quale a sua volta

quella del motorino di avviamento.

Pur mantenendo lo stesso schema si è deciso di affidarsi a ruote

cilindriche bielicoidali. I VANTAGGI di tali ruote sono noti:

• Permettono rapporti di trasmissioni maggiori grazie al maggior

ricoprimento elicoidale

• Migliore distribuzione dei carichi sui denti, quindi i fenomeni

vibratori dovuti all’irregolarità dei carichi e di forma sono meno

accentuati

• Garantiscono un funzionamento più regolare

• Sono più silenziose.

Gli SVANTAGGI sono il maggior costo e la minore tolleranza ai

disallineamenti.

Tutte le ruote sono state realizzate e verificate come acciaio 14NiCr18

RIDUTTORE: DATI INIZIALI

Il rapporto di riduzione da realizzare tra motore(14500

rpm) ed albero elica (2800 rpm) i1,2= 5.2

La posizione relativa di alberi a camme e albero motore

Il rapporto di trasmissione tra albero motore e albero a camme i1,3 =2

Alla luce di questo è stato possibile calcolare gli interassi , che sono

stati poi corretti per il funzionamento a caldo

INTERASSE ALB.ELICA/ALB.MOTORE 128,273 mm

INTERASSE ALB.ELICA/ALB.CAMME 148,926 mm

INTERASSE ALB.ELICA/ALB.POMPA 144,85 mm

Il rapporto di trasmissione tra albero elica e albero pompa

RIDUTTORE: elementi

PIGNONE: si è scelto di lasciare

1mm tra le due parti della ruota

bielicoidale per evitare eventuali

fenomeni di pitting localizzati tra le

due eliche.

E’ montato sull’albero motore tramite

profilo scanalato. Z1=15 denti

RUOTA ALB.ELICA: al fine della

massima leggerezza possibile,

compatibilmente con i carichi agenti,

si sono svilppate varie geometrie per

le razze della ruota, fino ad arrivare a

quella raffigurata. Z2=78 denti

La ruota è stata ottimizzata con

un’analisi F.E.M., in termini di

deformazioni, sollecitazioni,

spostamenti e massa

RIDUTTORE: catena degli ingranaggi

Sono state riprogettate anche le ruote dentate relative agli alberi a

camme e alla pompa che devono ingranare su quelle dell’albero elica.

MONTAGGIO ALBERO MOTORE

Dalla figura si può apprezzare il montaggio dell’albero motore, per quello

che riguarda la sua parte esterna al basamento,in quanto è l’unica a essere

stata modificata.

Configurazione

iniziale

Configurazione

finale

ALBERO ELICA

Si mostra ora il montaggio relativo all’albero elica, con l’albero ,le

ruote dentate, i cuscinetti, gli anelli Seger utilizzati per il montaggio

L’albero è stato semplificato e alleggerito.

È stata svolta un’analisi che ne verifica il

funzionamento

NASO

L’utilizzo di nuove ruote dentate ha reso necessario modificare il naso.

Di seguito le immagini relative al naso modificato

BASAMENTO

Così come per il naso sono state effettuate modifiche anche nel

basamento,sia a causa del maggior ingombro radiale della catena di

ingranaggi, sia per migliorare in termine di masse.

Di seguito le immagini relative al basamento modificato

MONTAGGIO TOTALE Dopo aver preso in considerazione singolarmente tutti i vari elementi

che sono stati progettati o modificati, si da una visualizzazione

d’insieme del progetto.

CONCLUSIONI

In questo elaborato, partendo da una configurazione già esistente del

riduttore,si è cercato per quanto possibile, di risolverne i problemi

esistenti,dovuti principalmente a fenomeni vibratori, e di semplificare

ed alleggerire i vari elementi del riduttore stesso,pensato per un

motore con una potenza di 250 cv a 14500 giri/min.

Quindi, riassumendo il lavoro svolto:

1. si è progettato uno smorzatore di vibrazioni a

pendoli che deve risolvere il problema delle

vibrazioni torsionali del secondo ordine,

2. si è riprogettata tutta la trasmissione,

sostituendo le ruote dentate a denti dritti

esistenti,con una coppia di ruote cilindriche

a denti elicoidali,

3. si è modificato, a causa del maggioringombro radiale delle ruote, ilbasamento e il naso, cercando disemplificarli il più possibile permantenerne inalterate le masse.

CONCLUSIONI

4. si è cercato di alleggerire quanto più possibile tutti gli elementi che sono stati

trattati, dato che non bisogna dimenticare che la massa ridotta è

fondamentale per un motore aeronautico. A questo proposito si è preparata

una tabella riassuntiva di tutte le masse in gioco, mettendole a confronto con

le masse della configurazione iniziale:

Dalla tabella si nota che

l’insieme risulta più leggero

rispetto alla configurazione

iniziale, questo nonostante che

il naso e il basamento siano

leggermente più pesanti a

causa del maggior ingombro

radiale delle ruote. In totale il

risparmio in termini di MASSA è

di circa 8kg rispetto alla

configurazione di partenza.

Paolo Margotti

Fine