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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
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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
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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:
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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I giunti elastici
Montaggio in serie: resistenza torsionale 25Nm
Il montaggio avviene per serraggio dei giunti elastici sulle crociere degli alberi.
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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.
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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.
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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.
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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
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Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
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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
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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.
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Gli alberiALBERO 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
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Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO ELICA
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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
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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!
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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:
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Gli alberiALBERO 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
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Gli alberi
ALBERO ELICA
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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
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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!
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Gli alberiALBERO 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
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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).
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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
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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.
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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.
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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!
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I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 3614.9N
Cuscinetto a rulli conici: 33205/Q
Durata corretta in ore di funzionamento:
10 1 23
1000000 10000003079
60 60
p
h na
CL L a a h
n n P
Verificato!
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)Dinamico Statico
d D T C C0
25 52 22 47.3 56 10000 0.23
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I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO ELICA LATO MOTORE
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 4667.5N
Cuscinetto a rulli conici: 32007 X/Q
Durata corretta in ore di funzionamento:
10 1 23
1000000 10000002270
60 60
p
h na
CL L a a h
n n P
Verificato!
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)Dinamico Statico
d D T C C0
35 62 18 42.9 54 8500 0.22
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I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO ELICA LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto:
Cuscinetto a rulli conici: 32008 X/Q
Durata corretta in ore di funzionamento:
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
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)Dinamico Statico
d D T C C0
40 68 19 52.8 71 7000 0.27
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I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO MOTORE
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 495.7N
Cuscinetto a rulli conici: 7202 BEP
Durata corretta in ore di funzionamento:
10 1 23
1000000 10000002737
60 60
p
h na
CL L a a h
n n P
Verificato!
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)Dinamico Statico
d D T C C0
15 35 11 8.84 4.8 24000 0.045
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I cuscinettiCUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 485.9N
Cuscinetto a rulli conici: 7301 BEP
Durata corretta in ore di funzionamento:
10 1 23
1000000 10000004842
60 60
p
h na
CL L a a h
n n P
Verificato!
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN) Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)Dinamico Statico
d D T C C0
12 37 12 10.6 5 24000 0.063
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I cuscinettiIl riduttore “idealmente” composto
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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
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Il carter
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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.
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Il carter
2
3
1
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Il carter
I due semicarter dopo l’assemblaggio
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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.
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Il carter
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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.
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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.
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La flangia dell’elica
Modello Rotax Flangia dell’elica: alleggerimento rispetto al modello in commercio.
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Riduttore Completo
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Riduttore Completo
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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.
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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.
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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.