Tesi di laurea di: Tommaso Venturelli

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1 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

2 Obbiettivi del progetto: Progetto e verifica di un riduttore ad ingranaggi Studio e progetto di un sistema di potenza ausiliaria per il takeoff RIDUTTORE SISTEMA DI POTENZA AUSILIARIA MOTORE ELICA

3 Modello di partenza: Motore FIAT 1.3 JTD multijet Potenza: 110kW a 6000rpm Specifiche di progetto: 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 componente aeronautico, certificazione secondo EASA.

4 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.

5 Gli ingranaggi Scelta di ingranaggi formati da ruote a denti bielicoidali 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. Verifica a rottura per fatica e pitting secondo UNI 8862 e ISO 6336

6 Disposizione delle ruote dentate 1 ruota dentata albero primario 2 ruota dentata albero elica 3-4 ruote dentate albero motore elettrico Scelta di far ingranare le ruote dentate del sistema di potenza ausiliaria (ruote 3 e 4) direttamente con la corona dell albero elica.

7 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

8 I giunti elastici Giunti elastici Giubo : Ottima capacità di smorzamento delle vibrazioni. Funzionamento da parastrappi tra motore e utilizzatore, assorbendo i picchi di coppia provenienti dal primo.

9 I giunti elastici Scelta delle dimensioni a catalogo in funzione della coppia da trasmettere: Pmax 110kW C nom 175Nm n 6000rpm k=1.4 fattore che tiene conto delle irregolarità tipiche di ogni applicazione Cmax 1.4 Cnom 245Nm Giunto scelto: T2GU12 Diametro esterno = 157mm Spessore = 46mm Massa = 359g

10 I giunti elastici Il montaggio avviene per serraggio dei giunti elastici sulle crociere degli alberi. Montaggio in serie: resistenza torsionale 25Nm

11 I motori elettrici 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. Motore elettrico brushless a magneti permanenti

12 I motori elettrici 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. Potenza = 15kW Velocità di rotazione = 7500rpm Massa = 2590g Lunghezza=126mm(escluso l albero) Diametro=109mm

13 I motori elettrici Si opta per una disposizione dei motori elettrici sopra i due giunti elastici: Ingombri più contenuti e possibilità di avvicinare le masse al motore.

14 Gli alberi ALBERO 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 = MPa Resistenza a snervamento = 1000 MPa

15 Gli alberi ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE

16 Gli alberi ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE D = 30mm d = 24mm Lunghezza = 84.7mm Massa: 1155g Spessore flangia = 14.7mm Spessore crociera = 14mm Diametro fori crociera = 13mm

17 Gli alberi ALBERO 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.

18 Gli alberi ALBERO PRIMARIO LATO ELICA Coppia di progetto = 175Nm Sezione anulare cava con D/d = 10/8 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 Coefficiente di sicurezza n = 4 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8

19 Gli alberi ALBERO PRIMARIO LATO ELICA

20 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

21 Gli alberi Verifica 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!

22 Gli alberi 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: Pmax Pt Pe 110kW 30kW 140kW C max P max 2 140kW rad / s 534Nm

23 Gli alberi ALBERO ELICA Coppia di progetto = 534Nm Sezione anulare cava con D/d = 10/8 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 Coefficiente di sicurezza n = 4 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8

24 Gli alberi ALBERO ELICA

25 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

26 Gli alberi Verifica 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!

27 Gli alberi ALBERO MOTORE ELETTRICO Coppia di progetto = 19Nm Sezione anulare cava con D/d = 2 Profilo scanalato per l alloggiamento della ruota dentata Coefficiente di sicurezza n = 4 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8

28 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).

29 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

30 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.

31 I cuscinetti La 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.

32 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = N Cuscinetto a rulli conici: J2/Q Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

33 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO ELICA Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = N Cuscinetto a rulli conici: 33205/Q Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

34 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO ELICA LATO MOTORE Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = N Cuscinetto a rulli conici: X/Q Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

35 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO ELICA LATO ELICA Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P 0.4 F YF N N N r a Cuscinetto a rulli conici: X/Q Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

36 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO MOTORE Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 495.7N Cuscinetto a rulli conici: 7202 BEP Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

37 I cuscinetti CUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO ELICA Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 485.9N Cuscinetto a rulli conici: 7301 BEP Dimensioni d ingombro (mm) Coeff. di carico (kn) Velocità di riferimento Dinamico Statico (rpm) Massa (kg) d D T C C Durata corretta in ore di funzionamento: C L10 h Lna a1a h 60 n 60 n P p Verificato!

38 I cuscinetti Il riduttore idealmente composto

39 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

40 Il carter

41 Il carter Dalle 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.

42 Il carter 1 2 3

43 Il carter I due semicarter dopo l assemblaggio

44 Il carter Per vincolare assialmente gli alberi si sono progettate delle ghiere filettate da avvitare sui filetti ricavati sul carter in corrispondenza delle sedi dei cuscinetti. 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.

45 Il carter

46 Il carter Il 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.

47 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.

48 La flangia dell elica Modello Rotax Flangia dell elica: alleggerimento rispetto al modello in commercio.

49 Riduttore Completo

50 Riduttore Completo

51 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.

52 Conclusioni e sviluppi futuri I 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.

53 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.