ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

sede di ForlìElaborato di laurea in

Disegno tecnico industriale

Analisi e dimensionamento di un motore otto cilindri Boxer per

propulsione aeronautica con eliche controrotanti

CANDIDATOFrancesco Pizzarello

RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli

Anno Accademico 2006/2007 Sessione I

Forli 25/07/2007

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Realizzare una soluzione che permetta la sostituzione di un motore Lycoming 6 cilindri boxer presente attualmente sull’ aereo della Alenia Aermacchi senza effettuare rilevanti

modifiche alla carenatura già esistente

Sostituzione con un nuovo motore 8 cilindri boxer di nuova generazione, caratterizzato da peso notevolmente inferiore e da una maggior

potenza disponibile

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Motore LYCOMING 0-540-E4E5

Caratteristiche tecniche:

6 cilindri contrapposti BOXER Potenza : 260 hp Massa a secco: 180 kg Ingombri: Altezza : 620 mm Larghezza : 848 mm Lunghezza : 946 mm

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NUOVO MOTORE IN FASE DI PROGETTAZIONE

Caratteristiche tecniche: 8 cilindri contrapposti BOXER Ciindrata : 2000 cm3 Regime di rotazione: 14000 rpm Potenza: 216 Kw Cavalli: 293 cv Massa a secco (ipotizzato): 100 kg

Ingombri: non ancora totalmente definiti

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IDEARE

REALIZZARE

OTTIMIZZARE

UN RIDUTTORE AD INGRANAGGI CAPACE DI MOVIMENTARE DUE ELICHE

CONTROROTANTI ALLA VELOCITA’ DI 2800 rpm

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Assenza di coppie giroscopiche con maggiore facilità di pilotaggio e minori sollecitazioni sulla struttura e sull’albero dell’elica

Diminuzione del diametro dell’elica, minore altezza da terra del velivolo, carrello più basso. Questo compensa il maggior peso dovuto alla trasmissione

Maggiore efficienza complessiva dal punto di vista aerodinamico. (il rendimento propulsivo è inferiore di poco (al max 2%), tuttavia il

centro di pressione palare è spostato all’esterno e quindi per eliche traenti l’efficienza globale migliora )

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Semplicità di realizzazione

Utilizzo di materiali innovativi anche se costosi

Ingombri ristretti : la riduzione dovrà essere collocata all’interno degli attuali ingombri definiti dal vano motore del SF-260.

Peso ridotto: in campo aeronautico ha un’ importanza rilevante

Affidabilità elevata associata alla ricerca del minor numero possibile di componenti

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SISTEMA RIDUZIONE

1

4

2

3

5 7

6

4 ruote dentate

cilindriche a denti dritti

1

9

SISTEMA RIDUZIONE

1

4

2

3

5 7

6

4 ruote dentate

cilindriche a denti dritti

1

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SISTEMA RIDUZIONE

SISTEMA INVERSIONE MOTO

1

4

2

3

5 7

6

Coassialità alberi eliche

4 ruote dentate

cilindriche a denti dritti

3 ruote coniche

Gleason a denti

spiroidali

1

11

Ridurre la velocità

Albero motore: 14.000 rpm Alberi eliche : 2.800 rpm

5==out

ingtot n

nτ

TROPPO ELEVATO

FRAZIONAMENTO DELLA RIDUZIONE

521 .=τ

22 =τ

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Obiettivo : invertire il senso di rotazione di un albero elica, per realizzare il moto di due eliche controrotanti senza ridurre il regime di rotazione

1=τ3 ruote coniche Gleason a denti

spiroidali

Maggior superficie di contatto dei denti Maggior rendimento Maggior silenziosità

Possibilità di utilizzo ad alte velocità

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RUOTE DENTATE

•Alte proprietà resistenziali•Durezza 150 HB – 250 HB•Alta resistenza ad usura•Alta resistenza a flessione

14NiCr18

Acciaio da cementazione

Grazie al trattamento termico si raggiungono elevate resistenze a Pitting

dei denti

• Rottura = 1130 Mpa

• Resistenza a fatica = 740 Mpa

• Modulo elastico = 206000 MPa

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RUOTE DENTATE

•Alte proprietà resistenziali•Durezza 150 HB – 250 HB•Alta resistenza ad usura•Alta resistenza a flessione

14NiCr18

Acciaio da cementazione

Grazie al trattamento termico si raggiungono elevate resistenze a Pitting

dei denti

• Rottura = 1130 Mpa

• Resistenza a fatica = 740 Mpa

• Modulo elastico = 206000 MPa

PESO ECCESSIVO !!!

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Necessità di alleggerimento delle ruote dentate

14NiCr18 per i denti delle ruote dentate

Razze, mozzo e alberi in una lega di Ti

Ti6AI4V• Rottura = 1 170 MPa

• Snervamento = 1 100 MPa

• Modulo elastico E = 1 14000 MPa

• Densità = 4,43 kg/dm3

14NiCr18 molto pesante

Progettare componenti di elevata leggerezza senza la necessità di aumentare oltremodo le sezioni e di conseguenza gli ingombri del componente stesso

resistenza a trazione molto simile ad un acciaio

densità inferiore di circa il 40%

elevata duttilità

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Necessità di alleggerimento delle ruote dentate

14NiCr18 per i denti delle ruote dentate

Razze, mozzo e alberi in una lega di Ti

Ti6AI4V• Rottura = 1 170 MPa

• Snervamento = 1 100 MPa

• Modulo elastico E = 1 14000 MPa

• Densità = 4,43 kg/dm3

14NiCr18 molto pesante

Progettare componenti di elevata leggerezza senza la necessità di aumentare oltremodo le sezioni e di conseguenza gli ingombri del componente stesso

resistenza a trazione molto simile ad un acciaio

densità inferiore di circa il 40%

elevata duttilità

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(Utilizzo del programma di SolidEdge V18)

Input:• Rapporto di trasmissione• Potenza da trasmettere• Numero di giri iniziali • Larghezza di fascia desiderata• Numero di denti del pignone• Materiale da adoperare

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(Utilizzo del programma di SolidEdge V18)

Output :• Dimensioni di ogni ruota dentata• Modulo• Risultati della verifica a Pitting ed a usura

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(Utilizzo del programma di SolidEdge V18)Input:• Rapporto di trasmissione• Potenza da trasmettere• Numero di giri iniziali • Larghezza di fascia desiderata• Numero di denti del pignone• Materiale da adoperare

Output :• Dimensioni di ogni ruota dentata• Modulo• Risultati della verifica a Pitting ed a usura

PITTING

VERIFICA AD USURA

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(Utilizzo del programma di SolidEdge V18)Input:• Rapporto di trasmissione• Potenza da trasmettere• Numero di giri iniziali • Larghezza di fascia desiderata• Numero di denti del pignone• Materiale da adoperare

Output :• Dimensioni di ogni ruota dentata• Modulo• Risultati della verifica a Pitting ed a usura

PITTING

VERIFICA AD USURA

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Effettuato tramite il metodo della massima energia di distorsione di Von MisesOgni materiale sollecitato elasticamente subisce un piccolo cambiamento di forma, volume o entrambi. L’ energia richiesta per produrre questo cambiamento, viene immagazzinata dal materiale come energia elastica.Si utilizza una tensione equivalente definita come il valore della tensione di trazione uniassiale che produrrebbe lo stesso livello di energia di distorsione prodotto dall’effettivo stato di tensione.

limστσσ ≤+= 22 3 xyxeq

• Alberi

Dimensionamento e verifica

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• Dimensionamento cuscinetti

Serie: SKF

Dovranno garantire un’ affidabilità complessiva del 99%

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26

102 167,5

292,

6

289,6

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Peso totale riduzione: 9 kg

Miglioramento generalizzato delle condizioni di peso e ingombri rispetto al Lycoming, con possibilità di utilizzare eliche controrotanti

Soluzione studiataRiduzione + motore 8 cilindri

Soluzione attualeMotore 6 cilindri Boxer

109 kg 180 kg

Soluzione con ruote coniche permette di evitare che si adottino un numero elevato di ruote dentate cilindriche al fine di giungere al medesimo risultato con un risparmio notevole dal punto di vista del peso e degli ingombri.

Con l’adozione delle ruote in titanio si risparmiano 5 kg rispetto a ruote dentate comuni.

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Realizzare un carter che contenga completamente il blocco riduzione

Può essere realizzato in due parti, una contenente esclusivamente il treno di ingranaggi atti ad effettuare la riduzione e una seconda parte, contenente soltanto gli ingranaggi conici.

L’albero elica e relativi dischi, dovranno essere interamente progettati una volta conosciute dimensioni e caratteristiche dell’eliche che andranno ad

equipaggiare l’aereo.

Possibilità di alleggerimento.

A causa degli ingombri longitudinali della riduzione, qualora la lunghezza della nuova soluzione sia significantemente diversa da quella del Lycoming, allora sarà opportuno modificare il vano motore.

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