Università degli Studi di ForlìCorso 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 2009-2010

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 16000 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

175,016000

2800

OBIETTIVI PERSEGUITI NELLO STUDIO

• Affidabilità del 99,99 % essendo un componente

aeronautico, certificazione secondo JAR

• Leggerezza (circa 18 Kg)

• Semplicità

RIDUTTORE

INGRANAGGI ALBERI CARTER

RIDUTTORE ATTUALE

Ad ingranaggi cilindrici dritti su 2 stadi

PROBLEMATICHE EMERSE

• Rottura albero elica

• Adattamento giunto elastico

• Eccessiva complessità del rotismo

• Scarsa affidabilità

• Peso eccessivo

SCELTA PROGETTUALE

Realizzare il riduttore adattando principi e

soluzioni automobilistiche ad un uso avio

RIDUTTORE ATTUALE

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

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

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

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

ALBERO ELICA

Pezzo unico, diametro elevato, montato su

bronzine, sezione anulare

Complicato alloggiamento

Minore rigidezza del supporto

maggiore peso

Soluzione adottata

ALBERO INTERMEDIO

Pezzo unico, sezione anulare

Montato su Bronzine Montato su cuscinetti

Non dà vantaggi di peso

Necessita di canali di

lubrificazione

complicato attacco pompaSoluzione adottata

Maggiore semplicità

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

2

22

n

1

tcritico

tors

NCritico

Norm

Fcritico

Fless

DIMENSIONAMENTO

ALBERI

BRONZINE

P = F/(b*d)

CUSCINETTI p

aP

CaaL

2311

A fatica

A pressione ammissibile

Durata in milioni di giri

Coeff. Sicurezza n = 4

Pamm= 8 N/mm2

TBO= 1200 ore

Nuova soluzione con giuntoSoluzione attuale

ANALISI DINAMICACon giunto elastico:

picco tensione torsionale sull’albero motore in fase di transitorio

Tao

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

giri/min

MP

aOrdine 0,5

Ordine 1

Ordine 1,5

Ordine 2

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

Ordine 9

Ordine 9,5

Ordine 10

Ordine 10,5

Ordine 11

Ordine 11,5

Ordine 12

Sezione resistente maggiorata

per carichi dinamici.

Tensione localizzata

ANALISI DINAMICA

Modello senza giunto elastico:

Due picchi di tensione sull’albero elica, a 1500 e 3000 giri

in condizioni di regime: rottura dell’albero in breve tempoTao

0

50

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

giri/min

MP

a

Ordine 0,5

Ordine 1

Ordine 1,5

Ordine 2

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

Ordine 9

Ordine 9,5

Ordine 10

Ordine 10,5

Ordine 11

Ordine 11,5

Ordine 12

Effetto del giunto elastico

Sposta le critiche a sinistra

nel grafico in posizioni

meno pericolose e abbassa

il picco di tensione

Nella soluzione attuale con

diametri piccoli la sua

presenza è fondamentale

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

De= 60 mm; Di = 20 mm

PROGETTO FINALE

(senza giunto elastico)

ALBERO ELICA

•Collegato all’albero motore

•Carichi minori

•Alleggerimento estremo 1,4 Kg

• riduzione n° componenti

PRIMO ALBERO

Sezione resistente maggiorata

Peso 5,9 Kg

ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI

Verifica ruota in ogni suo punto

Primo albero Albero intermedio

Verifica a fatica zWequivalente

Sicurezza N = 5

Tao Armoniche

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1000 2000 3000 4000

giri/min

MP

a

Ordine 0,5

Ordine 1

Ordine 1,5

Ordine 2

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

Ordine 9

Ordine 9,5

Ordine 10

Ordine 10,5

Ordine 11

Ordine 11,5

Ordine 12

Lloyd fc

Lloyd ft

VERIFICA DINAMICA

torsMax = 80 N/mm2

ALBERO ELICA

VERIFICA ELEMENTI FINITI

Sicurezza N =3,5

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.

PESI, N° DI COMPONENTI E COSTI

RIDUTTORE ATTUALE N° pezzi 21

Peso complessivo 18 Kg

Costo totale 1950 euroRIDUTTORE AVIO

CON GIUNTO ELASTICO N° pezzi 15

Peso complessivo 14,75 Kg

Costo totale 2100 euroRIDUTTORE 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

IL CARTER

SCELTE PROGETTUALI •Taglio secondo il piano individuato

dagli assi dei tre alberi

• Forma più voluminosa e spessore più

• sottile

•Utilizzo di materiali speciali

Problematiche emerse da vari studi:

punto critico gli agganci al motore

PROGETTO DEL CARTER

Si è allargato il profilo del carter fino ad inglobare

i supporti esterni, aumentando la rigidezza della

struttura

PARTICOLARI

CENTRAGGIO

Si usa un perno centrato

sull’albero motore che viene

tolto al termine del montaggio

e sostituito con un tappo

FILTRO LUBRIFICANTE

•Filtra i residui più grossi

•Permette la verifica dello stato

del riduttore ad ogni cambio olio

TIPO DI MATERIALE ADOTTATO

LEGA DI MAGNESIO AZ 91 HP

Densità: 1,83 Kg/dm3

E = 43.000 MPa

Carico di rottura = 225 MPa

Carico di scostamento dalla proporzionalità 0,2%= 120 MPa

Caratteristiche principali:

Massima leggerezza

Ottime caratteristiche resistenziali

Carter pressofuso in conchiglia e successivamente ippato

Svantaggi: infiammabilità e predisposizione alla corrosione,

problemi risolti con tecniche adeguate

costo elevato

OTTIMIZZAZIONE

Valutazione sicurezza mediante metodo elementi finiti

Sicurezza minima N = 3,2 Peso carter = 3,7 Kg

PROGETTO FINALE

Peso totale

Kg 14,1

Sicurezza minima

N=3,2

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