STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA PER LO SMORZAMENTO DELLE VIBRAZIONI TORSIONALI PER UN MOTORE AERONAUTICO

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1 STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA PER LO SMORZAMENTO DELLE VIBRAZIONI TORSIONALI PER UN MOTORE AERONAUTICO Candidato: Paolo Margotti Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. G. Caligiana Prof. Ing. A. Liverani Dott. Ing. C. Renzi Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2007/ marzo 2009

2 CONFIGURAZIONE DI PARTENZA Propulsore per velivoli ultraleggeri di derivazione motociclistica: Yamaha R1. Descrizione Valore Note Potenza max. all albero motore 110 kw ( rpm, rilevati* Coppia max. all albero motore Regime max. di funzionamento dell elica Regime max. di crociera 111 Nm (11.3 kgm) 2800 rpm rpm, rilevati* Il propulsore deve accettare la maggior parte delle tipologie d eliche in commercio. Durata funzionamento di > 1000 h, con affidabilità del 99% Riduzione dell affidabilità a piena potenza, dall originale 99,99%.

3 OBIETTIVI Riferendosi a una versione più performante del propulsore, si vuole realizzare: Descrizione Valore Note Potenza max. all albero motore 183 kw ( rpm, I. Un sistema per l abbattimento delle vibrazioni torsionali II. Un nuovo e più efficiente apparato riduttore,che resista ai nuovi carichi agenti Regime max. di funzionamento dell elica Regime max. di crociera 2800 rpm rpm Il propulsore deve accettare la maggior parte delle tipologie d eliche in commercio. III. Un miglioramento e un alleggerimento complessivo di tutta la struttura: basamento,naso Durata di funzionamento > 1000 h, con affidabilità del 99% Riduzione dell affidabilità a piena potenza, dall originale 99,99%.

4 MPa 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 Diagramma degli sforzi torsionali È riportato l andamento delle tensioni per gli ordini considerati e le curve dei Lloyd Tao Armoniche giri/min 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

5 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.

6 SMORZATORE 1 Svantaggi: 1. massa elevata SMORZATORE 2 SMORZATORE 3 SMORZATORE 1, 2, 3 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

7 SMORZATORE FINALE Ricercando un alleggerimento dello smorzatore e una miglior distribuzione delle masse, si è deciso di modificare lo smorzatore n 3 fino al raggiungimento della seguente configurazione.

8 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/m 3), per una migliore distribuzione delle masse. PERNI: Fissati al disco tramite accoppiamento H5/s4.

9 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 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.

10 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

11 RIDUTTORE: DATI INIZIALI Il rapporto di riduzione da realizzare tra motore(14500 rpm) ed albero elica (2800 rpm) i 1,2 = 5.2 La posizione relativa di alberi a camme e albero motore Il rapporto di trasmissione tra albero motore e albero a camme i 1,3 =2 Il rapporto di trasmissione tra albero elica e albero pompa 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 INTERASSE ALB.ELICA/ALB.POMPA 148,926 mm 144,85 mm

12 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

13 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.

14 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

15 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

16 NASO L utilizzo di nuove ruote dentate ha reso necessario modificare il naso. Di seguito le immagini relative al naso modificato

17 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

18 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.

19 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 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 maggior ingombro radiale delle ruote, il basamento e il naso, cercando di semplificarli il più possibile per mantenerne inalterate le masse.

20 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.

21 Fine Paolo Margotti