Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Internet/Catalogo Tesi... · ISO 6336...

Università degli Studi di Bologna

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Laboratorio di Disegno Meccanico T

Tesi di laurea di:

Tommaso Venturelli

Relatore:

Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli

Obbiettivi del progetto: Progetto e verifica di un riduttore ad ingranaggi

Studio e progetto di un sistema di potenza ausiliaria per il takeoff

MOTORE ELICA

RIDUTTORE

SISTEMA DI POTENZA AUSILIARIA

Modello di partenza:Motore FIAT 1.3 JTD multijet

Potenza: 110kW a 6000rpm

• Rapporto di trasmissione

• Potenza ausiliaria: 30kW.

• Capacità di funzionamento in modalità reversibile per produrre corrente elettrica.

• Pesi e ingombri contenuti.

• Affidabilità del 99.99%, essendo un componenteaeronautico, certificazione secondo EASA.

Specifiche di progetto:

Linee guida del progetto Adozione di alberi di trasmissione cavi di diametro

elevato e spessore sottile.

Montaggio su cuscinetti volventi.

Carter adiacente agli organi che deve contenere.

Interposizione di giunti elastici tra motore e riduttore.

Motori elettrici brushless per il sistema di potenza

ausiliaria.

Gli ingranaggiScelta di ingranaggi formati da ruote a denti bielicoidali

Verifica a rottura per fatica e pitting secondo UNI 8862 e ISO 6336

•Trasmissione di potenza continua, silenziosa e regolare; priva di urti e vibrazioni.•Annullamento delle spinte assiali tipiche delle ruote elicoidali, dunque minori sollecitazioni sui supporti.

Disposizione delle ruote dentate

Scelta di far ingranare le ruote dentate del sistema di potenza ausiliaria (ruote 3 e 4) direttamente con la corona dell’albero elica.

1

2

3 41 ruota dentata albero primario

2 ruota dentata albero elica

3-4 ruote dentate albero motore elettrico

I giunti elastici Dal motore provengono vibrazioni pericolose per gli

organi ad esso collegati.

Volontà di smorzare e ridurre tali vibrazioni

Interposizione di due giunti elastici Giubo® tra motore e riduttore

I giunti elasticiGiunti elastici Giubo®:

•Ottima capacità di smorzamento delle vibrazioni.

• Funzionamento da parastrappi tra motore e utilizzatore, assorbendo i picchi di coppia provenienti dal primo.

I giunti elasticiScelta delle dimensioni a catalogo in funzione della coppia da

trasmettere:

max 110175

6000nom

P kWC Nm

n rpm

max 1.4 245nomC C Nm

Giunto scelto: T2GU12 Diametro esterno = 157mmSpessore = 46mmMassa = 359g

k=1.4 fattore che tiene conto delle irregolarità tipiche di ogni applicazione

I giunti elastici

Montaggio in serie: resistenza torsionale 25Nm

Il montaggio avviene per serraggio dei giunti elastici sulle crociere degli alberi.

I motori elettrici

Motore elettrico brushless a magneti permanenti

Per il sistema di potenza ausiliaria si ricerca un componente che eroghi una potenza di 30 kW con pesi e ingombri ridotti.

Tale sistema deve funzionare anche da alternatore, assorbendo coppia meccanica e producendo energia elettrica per ricaricare le batterie del velivolo durante la fase di volo.

I motori elettrici

Potenza = 15kWVelocità di rotazione = 7500rpmMassa = 2590gLunghezza=126mm(escluso l’albero)Diametro=109mm

Decisione di sdoppiare la potenza complessiva in due unità da 15 kW l’una.

Scelta di un motore elettrico brushless da 15 kW impiegato in aeromodellismo.

I motori elettriciSi opta per una disposizione dei motori elettrici “sopra” i

due giunti elastici:

Ingombri più contenuti e possibilità di avvicinare le masse al motore.

Gli alberiALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

Coppia di progetto = 175Nm

Sezione anulare cava con D/d = 10/8

Flangia e crociera realizzate di pezzo con l’albero

Coefficiente di sicurezza n = 4

Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8

Resistenza ultima = 1250 – 1450 MPa

Resistenza a snervamento = 1000 MPa

Gli alberi

ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

Gli alberi

D = 30mm

d = 24mm

Lunghezza = 84.7mm

Massa: 1155g

Spessore flangia = 14.7mm

Spessore crociera = 14mm

Diametro fori crociera = 13mm

ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

Gli alberiALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

Verifica a resistenza secondo il criterio di Von Mises:

FS = 5.2

Verifica soddisfatta!

La sollecitazione torsionale è pulsante attorno ad un valore medio piuttosto elevato (quasi statica) pertanto non è affaticante.

Gli alberiALBERO PRIMARIO LATO ELICA



Crociera realizzata di pezzo con l’albero

Profilo scanalato a denti elicoidali per il calettamento della ruota dentata

Sedi per alloggiamento di due cuscinetti a rulli conici



Gli alberi

ALBERO PRIMARIO LATO ELICA

Gli alberi

D = 30mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza del

profilo scanalato per la ruota dentata

d = 24mm

Lunghezza profilo scanalato = 34mm

Spessore crociera = 14mm

Diametro fori crociera = 13mm

Lunghezza = 190mm

Massa: 987g

Gli alberiVerifica statica secondo il criterio di Von Mises:

FS = 8

Verifica soddisfatta con ampio margine!

La sollecitazione torsionale è pulsante attorno a un valore medio piuttosto elevato (quasi statica), la sollecitazione flessionale costituisce un ciclo all’inversione con valor medio nullo ed è pertanto affaticante.Verifica a fatica secondo UNI 7670:

FS = 2.5

Verifica soddisfatta!

Gli alberi

max 110 30 140t eP P P kW kW kW

maxmax

2

140534

261.8 /

P kWC Nm

rad s

ALBERO ELICA

L’albero viene progettato e verificato nella condizione più sfavorevole ovvero durante il decollo quando riceve potenza sia dal motore elettrico che dal motore termico:

Gli alberiALBERO ELICA



Profilo scanalato a denti elicoidali per il calettamento della

ruota dentata e della flangia d’attacco dell’elica

Sedi per alloggiamento di due cuscinetti a rulli conici



Gli alberi

ALBERO ELICA

Gli alberi D = 40mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza

del profilo scanalato per la ruota dentata

d = 32mm

Lunghezza profilo scanalato = 55mm

Lunghezza = 287mm

Massa: 964g

Gli alberiVerifica statica secondo il criterio di von Mises: FS = 7.3

Verifica a fatica secondo UNI 7670: la sollecitazione

torsionale è ancora una volta quasi statica, la sollecitazione

flessionale è affaticante con un ciclo all’inversione e valor

medio nullo.

FS = 4.2 Verifica soddisfatta!

Gli alberiALBERO MOTORE ELETTRICO


Sezione anulare cava con D/d = 2

Profilo scanalato per l’alloggiamento della ruota

dentata



Gli alberi

Si notano:1. Il perno d’albero sulla destra, sede del cuscinetto.2. Il profilo scanalato per l’accoppiamento con la ruota dentata.3. La zona d’albero per il forzamento a caldo del rotore del

motore elettrico (di cui non si effettuano i calcoli e la verifica in quanto non sono note le caratteristiche del rotore del motore elettrico).

123

Gli alberi

D = 15mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza del

profilo scanalato per la ruota dentata

d = 7.5mm

Lunghezza profilo scanalato = 16.4mm

Lunghezza = 86.8mm (esclusa la parte alloggiata all’interno

del motore elettrico)

Massa: 180g

Gli alberi

Verifica statica secondo il criterio di Von Mises:

FS = 15

Verifica a fatica secondo UNI 7670; la sollecitazione torsionale è quasi statica, quella flessionale è affaticante:

FS = 9.4

Verifiche soddisfatte con ampio margine.

I cuscinettiLa scelta dei cuscinetti viene effettuata in funzione :

•Dei carichi agenti sui supporti, il cui valore è noto a seguito del

dimensionamento degli alberi.

•Del valore di T.B.O.(time between overhaul) assunto pari a 2000h.

•Del valore di affidabilità desiderata: 99% a1=0.21

•Delle condizioni del materiale e della lubrificazione: a23=1

Tutti i cuscinetti vengono scelti con la capacità di vincolare assialmente

l’albero: condizione necessaria per garantire un corretto ingranamento delle

ruote dentate bielicoidali.

Si perviene pertanto alla seguente scelta:

•Cuscinetti a rulli conici per l’albero primario e l’albero elica.

•Cuscinetti obliqui a sfere per l’albero del motore elettrico.

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 3518.2N

Cuscinetto a rulli conici: 32206 J2/Q

Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di

riferimento

(rpm)

Massa

(kg)Dinamico Statico

d D T C C0

30 62 21.25 50.1 57 8500 0.28

Durata corretta in ore di funzionamento:

10 1 23

1000000 10000003165

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO ELICA


Cuscinetto a rulli conici: 33205/Q


10 1 23

1000000 10000003079

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!


riferimento

(rpm)

Massa


d D T C C0

25 52 22 47.3 56 10000 0.23

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO ELICA LATO MOTORE


Cuscinetto a rulli conici: 32007 X/Q


10 1 23

1000000 10000002270

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!


riferimento

(rpm)

Massa


d D T C C0

35 62 18 42.9 54 8500 0.22

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO ELICA LATO ELICA

Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto:

Cuscinetto a rulli conici: 32008 X/Q


10 1 23

1000000 10000003394

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!

0.4 0.4 1142.83 1.6 2899 5095.53r aP F YF N N N


riferimento

(rpm)

Massa


d D T C C0

40 68 19 52.8 71 7000 0.27

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO MOTORE


Cuscinetto a rulli conici: 7202 BEP


10 1 23

1000000 10000002737

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!


riferimento

(rpm)

Massa


d D T C C0

15 35 11 8.84 4.8 24000 0.045

I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO ELICA


Cuscinetto a rulli conici: 7301 BEP


10 1 23

1000000 10000004842

60 60

p

h na

CL L a a h

n n P

Verificato!


riferimento

(rpm)

Massa


d D T C C0

12 37 12 10.6 5 24000 0.063

I cuscinettiIl riduttore “idealmente” composto

Il carter•Progetto di un carter che sia quanto più aderente possibile agli organi

contenuti.

•Scelta di un piano di divisione trasversale agli assi delle ruote dentate;

ciò comporta un duplice vantaggio:

•Facilità di montaggio dei componenti che devono essere

alloggiati all’interno del carter stesso.

•Sedi dei cuscinetti in un pezzo unico: maggiore resistenza del

carter in detti punti che sono particolarmente sollecitati.

•Realizzazione del carter per pressofusione in conchiglia: elevata qualità

dei getti e tolleranze ristrette.

•Materiale di fabbricazione: lega di magnesio AZ 91 HP:

•Resistenza ultima 225 MPa

•Resistenza a snervamento 160 MPa

•Peso specifico 1.8kg/dm3

Il carter

Il carterDalle immagini che seguono si notano:

1. Le sedi dei cuscinetti filettate nella parte terminale per permettere

l’avvitamento delle ghiere.

2. Le orecchie per il collegamento dei due semicarter (7 fori M5 e 3 fori

M12).

3. Gli attacchi per i tubi dell’olio, proveniente dal motore, per la

lubrificazione degli ingranaggi e dei cuscinetti. Sono previsti due attacchi

in corrispondenza delle ruote dentate dei motori elettrici e uno in

corrispondenza del cuscinetto albero elica lato elica, nonché un pozzetto

di raccolta, nella parte inferiore del carter, per il recupero dell’olio.

Il carter

2

3

1

Il carter

I due semicarter dopo l’assemblaggio

Il carter

Duplice vantaggio:

1. Possibilità di vincolare assialmente

l’albero, facendo ingranare

correttamente le ruote bielicoidali.

2. Possibilità di regolare il precarico

sui cuscinetti in maniera rapida e

precisa mediante l’ausilio di

spessori pelabili.

Per vincolare assialmente gli alberi si sono progettate

delle ghiere filettate da avvitare sui filetti ricavati sul

carter in corrispondenza delle sedi dei cuscinetti.

Il carter

Il carterIl sostegno del carter avviene

mediante una piastra fissata al

motore, dalle quale partono 3

tubi che arrivano fino al carter.

La piastra è avvitata al motore

in corrispondenza dei fori della

campana del cambio.

La parte terminale dei tubi è

filettata per permettere

l’avvitamento di 3 viti M12, che

fungono anche da viti di

serraggio per i due semicarter.

Sul tubo superiore si ricava poi

il sostegno per i due motori

elettrici.

La Flangia dell’elica•Progettata in funzione del disegno commercialmente reperibile

Rotax.

•L’accoppiamento con l’albero elica avviene tramite un profilo

scanalato, con identiche caratteristiche rispetto a quello progettato

per la ruota dentata.

•Il vincolamento assiale avviene mediante una ghiera M36 che va

ad avvitarsi sulla parte terminale dell’albero elica.

•Il materiale scelto è la lega di titanio Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo.

•La massa del componente progettato è pari a 517g.

La flangia dell’elica

Modello Rotax Flangia dell’elica: alleggerimento rispetto al modello in commercio.

Riduttore Completo

Conclusioni e sviluppi futuri

Gli obbiettivi di progetto inizialmente esposti si ritengono pienamente

raggiunti.

La massa totale (comprensivo di carter, organi contenuti ,motori elettrici, giunti

e viteria) è pari a 21.8kg: valore più che soddisfacente, considerando che più di

metà del peso deriva da componenti scelti a catalogo.

Gli alberi risultano verificati sia staticamente che a fatica per un valore di 2000h

di funzionamento.

Gli ingranaggi risultano verificati secondo ISO 6336.

Conclusioni e sviluppi futuriI motori elettrici brushless, permettono di coniugare le potenzialità di due sistemi

in un unico componente: potenza ausiliaria in fase di decollo, funzionamento da

alternatore in fase di volo.

Si ritiene valida e corretta la scelta del tipo di motore brushless: con una massa

complessiva di 5.7kg è in grado di fornire il 21% della potenza totale in fase di

decollo.

Principale problema è stato il soddisfacimento delle condizioni di verifica dei profili

scanalati; avendo scelto alberi con diametri più piccoli, si sarebbero ottenuti profili

scanalati molto più lunghi con conseguente aumento dell’ingombro assiale e peso

dei componenti sostanzialmente inalterato.

Conclusioni e sviluppi futuri

Gli elevati fattori di sicurezza che si sono ottenuti nella verifica statica e a

fatica consentono ulteriori sviluppi del progetto.

È possibile infatti pensare di riprogettare gli alberi al fine di alleggerirli. Per

far ciò si potranno adottare diametri degli alberi inferiori, ipotizzando di

sostituire i profili scanalati con ruote di pezzo con l’albero, eliminando così il

componente che ha limitato lo sviluppo del progetto nella direzione

dell’alleggerimento dei pesi.

A completamento del progetto si potrà prevedere una verifica del carter con

il metodo degli elementi finiti.

Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Internet/Catalogo Tesi... · ISO 6336...

Documents

Transcript of Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Internet/Catalogo Tesi... · ISO 6336...