STUDIO DI MASSIMA DI UN RIDUTTORE EPICICLOIDALE AERONAUTICO PER UNA FAMIGLIA DI MOTORI DIESEL

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1 Università degli Studi di Forlì Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN RIDUTTORE EPICICLOIDALE AERONAUTICO PER UNA FAMIGLIA DI MOTORI DIESEL Tesi di laurea di: Pizzinelli Mattia Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. LucaPiancastelli Anno Accademico

2 OGGETTO DELLO STUDIO Riduttore di velocità per motore diesel aeronautico Riduttore epicicloidale a denti dritti ad uno stadio. Funzioni Riduzione della velocità di rotazione motivi di efficienza aerodinamica albero motore rpm elica 2800 rpm Interasse i=307,5 mm albero motore diesel basso non coassiale con l elica Motore FIAT 1.9 JTD 326 HP Rapporto di trasmissione ,175

3 OBIETTIVI PERSEGUITI NELLO STUDIO Affidabilità del 99,99 % essendo un componente aeronautico, certificazione secondo JAR Leggerezza (circa 18 Kg) Semplicità RIDUTTORE INGRANAGGI ALBERI CARTER

4 RIDUTTORE ATTUALE Ad ingranaggi cilindrici dritti su 2 stadi

5 SCELTA PROGETTUALE RIDUTTORE ATTUALE Realizzare il riduttore adattando principi e soluzioni automobilistiche ad un uso avio PROBLEMATICHE EMERSE Rottura albero elica Adattamento giunto elastico Eccessiva complessità del rotismo Scarsa affidabilità Peso eccessivo

6 NUOVA IDEA PROGETTUALE Realizzare il riduttore sulla base di conoscenze e applicazioni aeronautiche Dall osservazione delle soluzioni degli altri costruttori l Affidabilità è associata alla ricerca di un minore numero di componenti utilizzare tecnologie avanzate, anche se costose Utilizzare alberi cavi con diametri elevati realizzare carter con forma bombata

7 SCELTE PER IL NUOVO PROGETTO Alberi cavi di diametro elevato e in un pezzo unico con le ruote dentate utilizzo di bronzine unica ruota intermedia Valutare l utilizzo del giunto elastico cambio piano di taglio del carter Carter di forma bombata e con materiali leggeri

8 INGRANAGGI Soluzione attuale: cilindrici a denti dritti,su due stadi, modulo 3, N denti 38,54,59, larghezza b 24,22,22; doppia ruota intermedia. Materiale:16NiCrMo12 cementato e temperato funziona correttamente Verifica a pitting e rottura secondo normativa UNI 8862 e ISO 6336 Coefficienti di sicurezza

9 NUOVI INGRANAGGI Una sola ruota intermedia. Fattore di carico alternato Ya = 0,7. Si interviene su b in modo tale da avere dei coefficienti di sicurezza maggiori. Ruota intermedia b = 30 mm il resto rimane inalterato

10 ALBERO ELICA Pezzo unico, diametro elevato, montato su bronzine, sezione anulare Complicato alloggiamento Minore rigidezza del supporto maggiore peso Soluzione adottata

11 Montato su Bronzine ALBERO INTERMEDIO Pezzo unico, sezione anulare Montato su cuscinetti Non dà vantaggi di peso Necessita di canali di lubrificazione complicato attacco pompa Maggiore semplicità Soluzione adottata

12 PRIMO ALBERO Supporti realizzati sul carter anziché su albero motore, utilizzo di bronzine Montaggio a sbalzo Montaggio a trave appoggiata Carichi troppo alti su bronzina Ingombri inaccettabili Si adotta la soluzione attuale, molto compatta e resistente

13 DIMENSIONAMENTO ALBERI A fatica Fless Fcritico Norm NCritico 2 tors tcritico 2 1 n 2 BRONZINE Coeff. Sicurezza n = 4 A pressione ammissibile P = F/(b*d) CUSCINETTI Durata in milioni di giri P amm = 8 N/mm 2 L 1a a a 1 23 C P TBO= 1200 ore p

14 Soluzione attuale Nuova soluzione con giunto

15 MPa ANALISI DINAMICA Con giunto elastico: Tao picco tensione torsionale sull albero motore in fase di transitorio Ordine giri/min Ordine 0,5 Ordine 1 Ordine 1,5 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 Sezione resistente maggiorata per carichi dinamici. Tensione localizzata Ordine 9 Ordine 9,5 Ordine 10 Ordine 10,5 Ordine 11 Ordine 11,5 Ordine 12

16 MPa ANALISI DINAMICA Modello senza giunto elastico: Due picchi di tensione sull albero elica, a 1500 e 3000 giri Ordine 0,5 in condizioni di regime: rottura dell albero in breve tempo Tao giri/min Ordine 1 Ordine 1,5 Ordine 2 Ordine 2,5 Ordine 3 Ordine 3,5 Effetto del giunto elastico Ordine 4 Ordine 4,5 Sposta Ordine le critiche 5 a sinistra Ordine 5,5 nel grafico Ordine 6 in posizioni Ordine 6,5 meno pericolose Ordine 7 e abbassa Ordine 7,5 il picco di tensione Ordine 8 Ordine 8,5 Ordine 9 Nella soluzione Ordine 9,5 attuale con Ordine 10 diametri Ordine piccoli 10,5 la sua Ordine 11 presenza è fondamentale Ordine 11,5 Ordine 12

17 SOLUZIONE SENZA GIUNTO Scelta di progetto Adottare una sezione resistente elevata per l albero elica tale da funzionare anche in regime critico Intervenire via software:regolazione del passo variabile e n di giri per avere la stessa spinta con velocità di regime diversa da quella critica Ottima adattabilità della nuova soluzione a questa scelta Il diametro è elevato, è sufficiente aumentare lo spessore nel punto critico D e = 60 mm; D i = 20 mm

18 PROGETTO FINALE (senza giunto elastico) ALBERO ELICA PRIMO ALBERO Sezione resistente maggiorata Peso 5,9 Kg Collegato all albero motore Carichi minori Alleggerimento estremo 1,4 Kg riduzione n componenti

19 ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI Primo albero Albero intermedio Verifica ruota in ogni suo punto Verifica a fatica equivalente Sicurezza N = 5 zw

20 MPa ALBERO ELICA Tao Armoniche VERIFICA ELEMENTI FINITI VERIFICA DINAMICA giri/min Sicurezza N =3,5 torsmax = 80 N/mm 2

21 PROGETTO FINALE Minore peso Minore numero di componenti Semplice Affidabile Costi non così elevati in quanto minor n di componenti da sottoporre a controlli non distruttivi.

22 PESI, N DI COMPONENTI E COSTI RIDUTTORE ATTUALE N pezzi 21 Peso complessivo 18 Kg Costo totale 1950 euro RIDUTTORE AVIO CON GIUNTO ELASTICO N pezzi 15 Peso complessivo 14,75 Kg Costo totale 2100 euro RIDUTTORE AVIO SENZA GIUNTO ELASTICO N pezzi 7 Peso complessivo 10,3 Kg Costo totale 1305 euro Il costo è valutato con formule empiriche date dai fornitori. Il minor costo soluzione finale è dovuto a minor numero di controlli non distruttivi

23 SCELTE PROGETTUALI IL CARTER Problematiche emerse da vari studi: punto critico gli agganci al motore Taglio secondo il piano individuato dagli assi dei tre alberi Forma più voluminosa e spessore più sottile Utilizzo di materiali speciali

24 PROGETTO DEL CARTER Si è allargato il profilo del carter fino ad inglobare i supporti esterni, aumentando la rigidezza della struttura

25 CENTRAGGIO PARTICOLARI FILTRO LUBRIFICANTE Si usa un perno centrato sull albero motore che viene tolto al termine del montaggio e sostituito con un tappo Filtra i residui più grossi Permette la verifica dello stato del riduttore ad ogni cambio olio

26 TIPO DI MATERIALE ADOTTATO LEGA DI MAGNESIO AZ 91 HP Densità: 1,83 Kg/dm 3 E = MPa Carico di rottura = 225 MPa Carico di scostamento dalla proporzionalità 0,2%= 120 MPa Caratteristiche principali: Massima leggerezza Ottime caratteristiche resistenziali Svantaggi: infiammabilità e predisposizione alla corrosione, problemi risolti con tecniche adeguate costo elevato Carter pressofuso in conchiglia e successivamente ippato

27 OTTIMIZZAZIONE Valutazione sicurezza mediante metodo elementi finiti Peso carter = 3,7 Kg Sicurezza minima N = 3,2

28 PROGETTO FINALE Peso totale Kg 14,1 Sicurezza minima N=3,2

29 CONCLUSIONI Sono stati raggiunti tutti gli obiettivi prefissati: affidabilità, leggerezza, semplicità. La nuova idea progettuale ha permesso di ottenere risultati che non si riesce a raggiungere con l attuale riduttore mediante continue modifiche. POSSIBILI SVILUPPI Alleggerire il gruppo ingranaggi utilizzando materiali speciali quali leghe di titanio e ottimizzarle in base ad esso

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