STUDIO E OTTIMIZZAZIONESTUDIO E OTTIMIZZAZIONEDI SOLUZIONI ALTERNATIVE AL DI SOLUZIONI ALTERNATIVE AL

RIDUTTORE AD INGRANAGGI PER UN RIDUTTORE AD INGRANAGGI PER UN MOTORE AERONAUTICO DIESELMOTORE AERONAUTICO DIESEL

Tesi di laurea svolta da:Davide Tamburini

Università degli Studi di BolognaFACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria MeccanicaDisegno Tecnico Industriale

Anno Accademico 2002-2003

Relatore:

Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli

Correlatori:

Chiar.mo Prof. Ing. Franco Persiani

Chiar.mo Prof. Ing. Gianni Caligiana

Dott. Ing. Lorenzo Dardi

Riduttore di velocità per motorediesel aeronautico

OGGETTO DELLO STUDIO

Funzionalità del riduttore:

• Motore di derivazione automobilistica: richiesta una trasmissione del moto tra due alberi non coassiali

• Riduzione della velocità di rotazione dell’albero motore (3800 rpm) alla velocità di rotazione dell’elica (2500 rpm) per motivi di efficienza aerodinamica

Rapporto di trasmissione

Motore FIAT 1.9 JTD

165 HP

658,038002500 ==τ

Riduttore a cinghia o catena

SCELTA ELEMENTO DI TRASMISSIONE

ADERENZA OSTACOLO

CINGHIE TRAPEZOIDALI

CINGHIE POLY-V CINGHIE DENTATE

CATENE

Modalità di funzionamento

CONSIDERAZIONI DI SCELTA (ADERENZA)

CINGHIE TRAPEZOIDALI

Vantaggi:

• avviamento, spegnimento a cinghia scarica

CINGHIE POLY-V

Problematiche emerse:

• complicazione strutturale: forte precarico pretensionamento

(elevato numero di cinghie o nervature)

• complicazione costruttiva:

(tendicinghia, parallelismo-allineamento)

CONSIDERAZIONI DI SCELTA (OSTACOLO)

• rumorosità

• peso

CATENA

Problematiche emerse:

• Massima affidabilità• Leggerezza (circa 6 Kg)• Semplicità costruttiva

RIDUTTORE soluzione ALTERNATIVA

SOLUZIONE ALTERNATIVA A CINGHIA DENTATA

OBIETTIVI PERSEGUITI

CINGHIA-PULEGGE ALBERO SUPPORTO

1. elimina lo slittamento e risulta praticamente inestensibile

2. elevato rapporto potenza trasmissibile/peso

3. elevato rendimento meccanico

4. semplicità di installazione

5. caduta necessità di un carter

VANTAGGI ALTERNATIVA PROPOSTA:

CINGHIA DENTATA

HPPD Plus:14M 115

alte prestazioni

RIPARTIZIONE UNIFORME TENSIONI

PARAMETRI PULEGGE: dentatura standard

SCELTA PER IL NUOVO PROGETTO

Cinghia Goodyear HIGH PERFORMANCE PD PLUS:

[ ] )29;23,129( == MM zmmd [ ] )44;08,196( == CC ZmmD

usura ridotta

ELEVATE POTENZE TRASMISSIBILI

[ ]NrMT M

P 4720064,0305

1===

[ ]NsensenTTT PPAc 6330)201(472020 =°+=°⋅+=

[ ]NmBJMG 19226237,02 =⋅⋅=⋅⋅= πω

[ ]NFa 320016520 =⋅=

[ ]Nmn

WC m

t 65725002

)1213587,0(222

2

=⋅⋅⋅=⋅=

ππ

• Azione di tiro

• Forza scaricata sull’albero condotto

• Momento giroscopico:

(J momento d’inerzia max sperimentale; B rateo di manovra)

• Spinta assiale elica: spingente (più gravosa):

tramite fattore empirico

• Coppia torcente limite: (secondo normativa)

PROGETTAZIONE ALBERO CONDOTTO

PROGETTAZIONE ALBERO CONDOTTOa durata corretta per 99,9999% affidabilità

MATERIALE: acciaio bonificato 40NiCrMo4

OTTIMIZZAZIONE: ALLEGERIMENTO nei LIMITI DEL MATERIALE

31

22

min ))

16(3)

32(

(amm

tf MM

dσ

ππ+

=

bwktkbvg στασσ ≤+= 20

2 )(3

Calcoli di DIMENSIONAMENTO

Calcoli di VERIFICA

[ ]MpaCS

samm 228

5,3800 === σσ

231100 aaLL ha =

SKF:

32209 sec. ISO 355 3DC

33205 sec. ISO 355 3DE

Bv FF ⋅≈ 5,1

M24x1,5

legame di riferimento: serraggio_esercizio

FASI DELL’ANALISI ELEMENTI FINITI

Pre-processing:• Magliatura: generazione del reticolo di elementi finiti per

suddividere il dominio geometrico in piccoli elementi• Introduzione dei carichi, vincoli, materiale• Calcolo

Post-processing:• controllo dei risultati

VISUALIZZAZIONE DEI RISULTATI in termini TENSIONALI:

ammeVMequivalent σσ ≤

• Generazione del modello (CAD: Solid Edge)

• Introduzione del modello (tecnica F.E.M.: Design Space)

REALIZZAZIONE PULEGGE DENTATE

ALLEGGERIMENTO:

•scartare soluzione standard pulegge piene

•scartare sistemi calettamento tradizionali

Idea di REALIZZAZIONE:

sfruttare calettamento flangia già esistente

TIPO DI MATERIALE ADOTTATO

LEGA di MAGNESIO AZ 91 H.P.:

•Densità: 1,83 [ Kg / dm3 ]

•E = 43000 [MPa]

•Carico di rottura Rm = 225 [MPa]

•Carico di scostamento dalla proporzionalità 0,2% Rp0,2 = 120 [MPa]

Caratteristiche principali:

Leggerezza, ottime caratteristiche resistenziali

Svantaggi:

Costo, infiammabilità-corrosione (risolubile tecnologicamente)

Pressofusione in conchiglia

TENSIONE AMMISSIBILE

Affidabilità ricercata:

applicando al carico di scostamento dalla proporzionalità un fattore di sicurezza S = 3,5

[ ]MpaS

Rpadm 34

5,31202,0 ===σ

Lega di Magnesio AZ 91 H.P.

Pressioni “uniformi” su denti in presa:

[ ]MPalhZT

P presap 35,0115*523/47202

2 ==⋅=

VISUALIZZAZIONE CARICHI E VINCOLI

[ ]MpalhZT

P presap 58,0115*515/47201

1 ==⋅=

Cylindrical Support:

Simulazione di viti mordente: ostacolo

Vincoli cilindrici tangenzialmente liberi

Magliatura modello:

• generazione magliatura automatica: massima precisione del software (“relevance”max +100)

• accurato affinamento zone critiche

VISUALIZZAZIONE RISULTATI INTERMEDI

ZONE ROSSE:critiche

non rispondenti alle caratteristiche resistenziali richieste

INTERVENTI:

• Irrigidimento spessore critico

• Adozione di formagelle (maggior superficie per l’ostacolo)

VISUALIZZAZIONE RISULTATI FINALI:

PULEGGE DEFINITIVE OTTIMIZZATE

Strutture interamente rispondenti al requisito di verifica

REPORT DESIGNSPACE:

[ ])34( MPaeammissibilionesollecitaz =< σσ

PROGETTAZIONE DISTANZIALEIdea di REALIZZAZIONE:

utilizzo dello stesso coperchio

calettamento sulla testata: mantenimento del profilo (no stravogimenti)

TIPO DI MATERIALE ADOTTATO

LEGA di ALLUMINIO GD-AlSi9:

•Densità: 2,75 [ Kg / dm3 ]

•E = 70.000 [MPa]

•Carico di rottura Rm = 220 [MPa]

•Carico di scostamento dalla proporzionalità 0,2% Rp0,2 = 120 [MPa]

Caratteristiche principali:

Leggerezza

Colabilità

Pressofusione in conchiglia

TENSIONE AMMISSIBILE

Affidabilità ricercata:

applicando al carico di scostamento dalla proporzionalità un fattore di sicurezza S = 3,5

[ ]MpaS

Rpadm 34

5,31202,0 ===σ

Lega di alluminio GD-AlSi9

[ ]MPaRRSP iea 95,0))245()285((3200)( 2222 =−⋅=−⋅= ππ

Tesi:

• forma costruttiva semplice

• spessori contenuti

Ipotesi: ricerca del comportamento reale

• montaggio di elementi geometrici per simulazione dell’interazione

• simulazione della sola geometria caricata

Pressioni:

[ ]MPalDFP A 9208513902111 =⋅==

[ ]MPalDFP B 1113457572222 =⋅==

Cylindrical Support:

Vincoli cilindrici tangenzialmente liberi

Simulazione prigionieri di confineVincoli cilindrici fissi

Simulazione chiusura cappellotti

ZONE ROSSE:critiche

• elementi di irrigidimento insufficienti • struttura centrale: peso elevato

VISUALIZZAZIONE RISULTATI INTERMEDIINTERVENTI NON RIUSCITI

[ ])34( MPaeammissibilionesollecitaz =< σσ

modifiche apportate:

• nuovi elementi di irrigidimento

• zone di attacco per cappellotti

INTERVENTI RIUSCITI

SOLUZIONE PRESENTATA

OTTIMIZZAZIONE DISTANZIALE

Struttura interamente rispondente al requisito di verifica

REPORT DESIGNSPACE:

SOLUZIONE PROPOSTA DEFINITIVA

Peso totale� 5,5 Kg

Sicurezza S � 3,5

CARATTERISTICHE:

CONCLUSIONI

Raggiunti gli obiettivi: (a parità di affidabilità riduttore ingranaggi)leggerezza, semplicità

NUOVA IDEA PROGETTUALE:risultati non raggiunti con altre ipotesi al vaglio di modifiche dell’attuale riduttore ad ingranaggi

POSSIBILI SVILUPPI

• Nuove idee di calettamento albero condotto