Studio ed ottimizzazione di alcuni sistemi di una replica ultraleggera di un BF-109K

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1 Università degli Studi di Bologna FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Studio ed ottimizzazione di alcuni sistemi di una replica ultraleggera di un BF-109K Tesi di laurea di: Benedetto Maria D Agostino Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Dott. Ing. Cristina Renzi Anno Accademico Sessione II Bologna 23/10/2007

2 Ambito dello Studio Realizzazione di un velivolo ultraleggero le cui linee richiamino quelle di un aereo della seconda guerra mondiale: il Messerschmitt BF-109K in scala 1:1 Scopo della tesi Realizzare il modello solido dei piani di coda Progettare e fornire un dimensionamento di massima di un nuovo comando trim del piano di coda orizzontale

3 CARATTERISTICHE TECNICHE La forma esterna e la geometria rimangono le stesse dell aeroplano originale. Unica differenza nel materiale utilizzato e nel peso finale. Dati tecnici del velivolo originale : Apertura alare = 9,92m Lunghezza = 9,02m Altezza = 2,68m Superf. Alare = 16,05 mq Motore = Daimler Benz DB605 Potenza al decollo =1475CV Peso max al decollo =3375Kg Caratteristiche di volo: velocità massima: 728 Km/h velocità di crociera: 645 Km /h velocità minima: 150 Km/h autonomia di crociera: 720 Km

4 Caratteristiche tecniche del velivolo ULM Peso massimo al decollo 450 kg con 2 piloti da 75 kg cadauno Omologazione nella categoria acrobatica: fattore di carico n=6 Quota massima 300 m Il motore che verrà montato su questa versione è un motore motociclistico riadattato per un ultraleggero Potenza = 152 CV N giri = rpm Coppia = 105 Nm Peso = 75 kg Gli ingombri sono molto ridotti rispetto al 12 cilindri DB 605. Lo spazio ricavato dal cofano è riutilizzato per un posto passeggero davanti a quello pilota.

5 COMANDO DEL PIANO DI CODA Il piano di coda orizzontale nella soluzione originale era fisso.e veniva incastrato tra le due parti dell impennaggio verticale

6 COMANDO DEL PIANO DI CODA Nella nuova soluzione il piano di coda potrà Il piano di coda così realizzato sarà supportato ruotare attorno all asse orizzontale (asse di da 2 boccole autolubrificanti alloggiate nei fori beccheggio) di una quantità pari a ±2,5 appositamente praticati nel piano verticale

7 COMANDO DEL PIANO DI CODA Si è scelto di rendere il piano di coda orizzontale mobile per permettere al pilota di riportare il velivolo nell assetto desiderato allorchè, in assetti quali la cabrata e la picchiata, i comandi primari risultano particolarmente duri. In effetti, in questo modo, il piano di coda, attraverso la sua lievissima rotazione,tende a far uscire l aereo dall assetto di cabrata o di picchiata senza agire sulla cloche, bensì su un volantino posto a fianco della seduta di pilotaggio

8 MOMENTO DI CERNIERA Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti, sono relativi al momento di cerniera agente nel centro di rotazione del comando. Questo è ricavato dalle seguenti relazioni grazie all utilizzo di grafici sperimentali e derivate aerodinamiche: M C ca Momento di cerniera del piano di coda dato 1 2 da: pressione dinamica, superficie del piano V SacaCMca di coda, corda media del piano di coda e 2 C a Mca Mca * a coefficiente di momento di cerniera Coefficiente di momento di cerniera: variazione del coefficiente di momento dovuto alla rotazione del piano di coda t C d a Nel caso in questione, i dati sono i seguenti ρ= kg/m^3 V=728 km/h S a = 2,42m^2 C a =0,843m C Mca = -0,08 M ca =5000Nm

9 Calcolo del rapporto di trasmissione necessario Per questioni di ingombro e di comodità di presa da parte del pilota, si è scelto di adottare un volantino di comando di raggio pari a 100mm. 100mm 50N Dunque, supponendo la forza applicabile da parte di un uomo di media corporatura pari a 50N, si avrà un momento sul volantino pari a: Mvol=5Nm. Sul piano di coda agisce un momento di cerniera pari a 5000Nm, per cui dal volantino al piano di coda, sarà necessario un rapporto di trasmissione totale pari a: ηtot=1/1000 Riduzione ad ingranaggi

10 Componenti del sistema di comando Le due superfici che compongono il piano di coda sono accoppiate con due tubi cavi ad una leva su cui saranno agganciati i cavi di comando in acciaio

11 Componenti del sistema di comando:leva di comando La leva di comando, in acciaio legato 300M, sarà fissata ai due tubi cavi con dei bulloni e degli anelli elastici in acciaio necessari per annullare il possibile gioco. La leva di comando avrà un braccio di 300mm in modo tale che, su ognuno dei due cavi d acciaio, agirà una forza di trazione di 16700N

12 Componenti del sistema di comando: cavi di collegamento, carrucole di indirizzamento e percorso cavi I cavi in acciaio inossidabile utilizzati hanno il diametro di 5mm e sono del tipo a 7 trefoli composti da 19 fili. Possono resistere fino ad una forza di trazione di 20000N. Saranno fissati ai comandi tramite terminali arrotondati, occhielli e piombini di chiusura. Per indirizzare i cavi all interno della fusoliera in modo da portarli alla giusta altezza, sono utilizzate delle carrucole in resina epossidica, unificate ed adatte al tipo di cavo utilizzato.

13 Componenti del sistema di comando: trasmissione a catena La tensione necessaria alla Sul volantino di catena comando sarà èassicurata fissato da un il pignone della apposito trasmissione tenditore a catena che trasmette la rotazione ad un albero ad asse parallelo posto alle spalle della seduta di pilotaggio La trasmissione a catena è necessaria perché, altrimenti, il meccanismo non troverebbe lo spazio necessario a lato del pilota Le caratteristiche della trasmissione a catena sono le seguenti: rapporto di trasmissione η cat. =1/1,6 diametro primitivo pignone d p,pign =38mm numero di denti del pignone Z pign =15 diametro primitivo corona d p,cor =61mm numero di denti della corona Z ruot =24

14 Componenti del sistema di comando: ingranaggio conico Sull albero su cui è fissata la corona a catena, è calettato il pignone di un ingranaggio conico la cui ruota sarà sollecitata da un momento torcente pari a : M pign.con. =32Nm Essendo il rapporto di trasmissione di tale ingranaggio pari a 1/4 Le caratteristiche dell ingranaggio conico sono le seguenti: rapporto di trasmissione η conico =1/4 modulo medio m =1,5 numero denti pignone Z pign.con. =20 diametro primitivo pignone d p,pign.con. =30mm numero denti ruota conica Z ruot.con. =80 diametro primitivo ruota conica d p,ruot.coni. =120mm angolo di pressione tangenziale α t =20

15 Componenti del sistema di comando: ingranaggio vita senza fine ruota a denti elicoidali Sull albero su cui è fissata la ruota conica, è ricavata, da pezzo, la vite senza fine ad un principio che ingrana con la ruota a denti elicoidali,trasmettendo su quest ultima un momento torcente pari a : M ruot.elic =32x150=4800Nm essendo il rapporto di trasmissione di tale ingranaggio pari a 1/150 Le caratteristiche dell ingranaggio sono le seguenti modulo m =2,5 numero denti ruota elicoidale Z ruot.elic. =150 diametro primitivo ruota elicoidale d p.ruot.elic. =375mm interasse tra vite e ruota i =200mm

16 Componenti del sistema di comando: leva da accoppiare all albero della ruota elicoidale Dividendo il momento torcente agente sulla ruota elicoidale per i 16700N che agiscono sui cavi provenienti dal comando del piano di coda si ricava il braccio della leva da accoppiare all albero su cui è calettata la ruota dentata a denti elicoidali. Si ottiene un braccio di leva pari a: b leva =156mm.

17 Componenti del sistema di comando: materiale delle ruote dentate, delle leve e degli alberi Rottura = 1930 MPa 41 SiNiCrMoV76 : 300M (acciaio da bonifica AISI 4340 modificato) Snervamento = 1520 MPa Resistenza a fatica = 700 MPa Modulo elastico E = MPa Aggiunta di Si Nitrurato Incremento del limite elastico e della resistenza Alte proprietà resistenziali (σ rottura) Alta resistenza usura Alta resistenza a fatica Le dimensioni delle ruote e l alto peso dell acciaio 300M hanno fatto sì che le ruote fossero forate il più possibile per alleggerirle. Il peso complessivo degli ingranaggi è di 6,45kg

18 Telaio di fissaggio degli ingranaggi Inizialmente si era pensato di racchiudere gli ingranaggi in una scatola, ma, a causa delle dimensioni delle ruote, si è optato per un telaio saldato in profilati di alluminio che permette di contenerne il peso.

19 Telaio di fissaggio degli ingranaggi Il telaio sarà fissato alla parete interna della Sul telaio codasaranno tramite collegamenti fissati i supporti filettati dove saranno alloggiate le boccole autolubrificanti che supporteranno gli alberi degli ingranaggi. Supporti per boccolagli ingranaggi saranno periodicamente lubrificati Boccola

20 Analisi agli elementi finiti delle leve di comando Per verificare le due leve di comando, anch esse in acciaio 300M, si è utilizzato un software agli elementi finiti, COSMOSworks, che ha dato risultati positivi. Per Nessun lopuntostudio della leva dellaè sollecitazione soggetto ad unaflessionale tensione pari èo stata maggiore adottataa unaquella mesh di di simulazione snervamento di (C.S.15) nodidele materiale, elementi nonostante i 16700N a cui è sottoposta, per cui possiamo ritenere che le leve siano state dimensionate correttamente

21 Complessivo del comando

22 Complessivo del comando

23 Conclusioni Grazie per l attenzione Gli obiettivi posti inizialmente sono stati raggiunti Si è ottenuto un modello cad della parte oggetto di studio rispettando le dimensioni reali del velivolo originale. Il comando del piano di coda orizzontale è stato definito in tutti i particolari per la realizzazione ed il montaggio, compreso il percorso dei cavi Il peso complessivo è intorno ai 12 kg