STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA PER LO … Internet/Catalogo Tesi/Motori... · I VANTAGGI di...
Transcript of STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA PER LO … Internet/Catalogo Tesi/Motori... · I VANTAGGI di...
STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN
SISTEMA PER LO SMORZAMENTO
DELLE VIBRAZIONI TORSIONALI
PER UN MOTORE AERONAUTICO
Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2007/2008 - 25 marzo 2009
Candidato:
Paolo Margotti
Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli
Correlatori: Prof. Ing. G. Caligiana
Prof. Ing. A. Liverani
Dott. Ing. C. Renzi
CONFIGURAZIONE DI PARTENZA
Propulsore per velivoli
ultraleggeri di derivazione
motociclistica: Yamaha R1.
Descrizione Valore Note
Potenza max.
all’albero motore110 kW (149
CV)
@ 10500 rpm,
rilevati*
Coppia max.
all’albero motore111 Nm (11.3
kgm)
@ 8250 rpm,
rilevati*
Regime max. di
funzionamento
dell’elica
2800 rpm
Il propulsore
deve accettare la
maggior parte
delle tipologie
d’eliche in
commercio.
Regime max. di
crociera10500 rpm
Durata di
funzionamento
> 1000 h, con
affidabilità
del 99%
Riduzione
dell’affidabilità a
piena potenza,
dall’originale
99,99%.
OBIETTIVI
Riferendosi a una
versione più performante
del propulsore, si vuole
realizzare:
I. Un sistema per
l’abbattimento delle
vibrazioni torsionali
II. Un nuovo e più efficiente
apparato riduttore,che
resista ai nuovi carichi
agenti
III. Un miglioramento e un
alleggerimento complessivo
di tutta la struttura:
basamento,naso
Descrizione Valore Note
Potenza max.
all’albero motore 183 kW
(250 CV)@ 14500 rpm,
Regime max. di
funzionamento
dell’elica
2800 rpm
Il propulsore
deve accettare la
maggior parte
delle tipologie
d’eliche in
commercio.
Regime max. di
crociera14500 rpm
Durata di
funzionamento
> 1000 h, con
affidabilità
del 99%
Riduzione
dell’affidabilità
a piena potenza,
dall’originale
99,99%.
ANALISI DELL’ALBERO
Al fine di dimensionare lo smorzatore è stata effettuata un’analisi delle vibrazioni che sono presenti sull’albero motore.
Per l’analisi è stato utilizzato un modello a parametri concentrati e il metodo dell’Holzer come prescrivono i Lloyd e tutti gli Enti Certificatori Aeronautici
Albero equivalente
Tao Armoniche
0
20
40
60
80
100
120
140
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
1100
0
1200
0
1300
0
1400
0
giri/min
MPa
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
Diagramma degli sforzi
torsionali
È riportato l’andamento delle
tensioni per gli ordini considerati
e le curve dei Lloyd
SMORZATORI:generalità
Per lo smorzamento delle vibrazioni precedentemente trovate
si è scelto di utilizzare uno smorzatore accordato a pendoli.
• Ne esistono in letteratura diverse tipologie e ne sono state
analizzate diverse prima di giungere a quella definitiva.
Funzionamento.
Il pendolo presenta una frequenza propria ω
che vale:
dove:
Ω velocità angolare del rotore;
r =distanza tra asse di rotazione del rotore
e cerniera del pendolo
L = lunghezza del pendolo
il rapporto ω/Ω dipende dal rapporto r/L ed è
indipendente dalla velocità angolare Ω del
rotore. Quindi lo smorzatore può essere
sintonizzato su una qualsiasi frequenza di
risonanza a prescindere dal valore di Ω,
agendo unicamente sui valori di r e L.
SMORZATORE 1°, 2°, 3°
SMORZATORE 1
SMORZATORE 2
SMORZATORE 3
Svantaggi:
1. massa elevata
2. i pendoli rotolando nella sede
si usurano e non garantiscono
più l’accordatura
Svantaggi:
Le masse sono piccole e
piccole sono le potenze
smorzanti
Buone potenze smorzanti e
semplicità costruttiva data dal
piccolo numero di elementi che
lo costituiscono
SMORZATORE FINALE
Ricercando un alleggerimento dello smorzatore e una migliordistribuzione delle masse, si è deciso di modificare lo smorzatore n°3fino al raggiungimento della seguente configurazione.
SMORZATORE FINALE:elementi
costitutivi
• DISCO: realizzato in acciaio,
viene accoppiato tramite
profilo scanalato all’albero
motore. Presenta delle asole in
cui vanno montati i perni che
sostengono i pendoli.
• PENDOLI: realizzati in tungsteno
(r=19000kg/m3) , per una migliore
distribuzione delle masse.
• PERNI: Fissati al disco
tramite accoppiamento
H5/s4.
SMORZATORE:analisi F.E.M.
Dato che il disco è l’organo maggiormente sollecitato nello smorzatore ed è
stato quanto più possibile alleggerito, è stata svolta un’analisi FEM utilizzando
lo strumento apposito Cosmos di Solidworks 2008.
Si sono posti i vincoli poi i carichi agenti
sulle asole e infine è stata effettuata la
meshatura
I risultati ottenuti verificano il disco sia in
termini di spostamenti, sollecitazioni e
deformazioni.
Sullo smorzatore è stata effettuata anche
un’analisi armonica per verificare che non
entri in risonanza.
RIDUTTORE Nella configurazione iniziale il riduttore
utilizzava delle ruote dentate cilindriche a denti
dritti, sulla ruota dentata montata sull’albero
elica ingranano le ruote degli alberi a camme e
quella della pompa, sulla quale a sua volta
quella del motorino di avviamento.
Pur mantenendo lo stesso schema si è deciso di affidarsi a ruote
cilindriche bielicoidali. I VANTAGGI di tali ruote sono noti:
• Permettono rapporti di trasmissioni maggiori grazie al maggior
ricoprimento elicoidale
• Migliore distribuzione dei carichi sui denti, quindi i fenomeni
vibratori dovuti all’irregolarità dei carichi e di forma sono meno
accentuati
• Garantiscono un funzionamento più regolare
• Sono più silenziose.
Gli SVANTAGGI sono il maggior costo e la minore tolleranza ai
disallineamenti.
Tutte le ruote sono state realizzate e verificate come acciaio 14NiCr18
RIDUTTORE: DATI INIZIALI
Il rapporto di riduzione da realizzare tra motore(14500
rpm) ed albero elica (2800 rpm) i1,2= 5.2
La posizione relativa di alberi a camme e albero motore
Il rapporto di trasmissione tra albero motore e albero a camme i1,3 =2
Alla luce di questo è stato possibile calcolare gli interassi , che sono
stati poi corretti per il funzionamento a caldo
INTERASSE ALB.ELICA/ALB.MOTORE 128,273 mm
INTERASSE ALB.ELICA/ALB.CAMME 148,926 mm
INTERASSE ALB.ELICA/ALB.POMPA 144,85 mm
Il rapporto di trasmissione tra albero elica e albero pompa
RIDUTTORE: elementi
PIGNONE: si è scelto di lasciare
1mm tra le due parti della ruota
bielicoidale per evitare eventuali
fenomeni di pitting localizzati tra le
due eliche.
E’ montato sull’albero motore tramite
profilo scanalato. Z1=15 denti
RUOTA ALB.ELICA: al fine della
massima leggerezza possibile,
compatibilmente con i carichi agenti,
si sono svilppate varie geometrie per
le razze della ruota, fino ad arrivare a
quella raffigurata. Z2=78 denti
La ruota è stata ottimizzata con
un’analisi F.E.M., in termini di
deformazioni, sollecitazioni,
spostamenti e massa
RIDUTTORE: catena degli ingranaggi
Sono state riprogettate anche le ruote dentate relative agli alberi a
camme e alla pompa che devono ingranare su quelle dell’albero elica.
MONTAGGIO ALBERO MOTORE
Dalla figura si può apprezzare il montaggio dell’albero motore, per quello
che riguarda la sua parte esterna al basamento,in quanto è l’unica a essere
stata modificata.
Configurazione
iniziale
Configurazione
finale
ALBERO ELICA
Si mostra ora il montaggio relativo all’albero elica, con l’albero ,le
ruote dentate, i cuscinetti, gli anelli Seger utilizzati per il montaggio
L’albero è stato semplificato e alleggerito.
È stata svolta un’analisi che ne verifica il
funzionamento
NASO
L’utilizzo di nuove ruote dentate ha reso necessario modificare il naso.
Di seguito le immagini relative al naso modificato
BASAMENTO
Così come per il naso sono state effettuate modifiche anche nel
basamento,sia a causa del maggior ingombro radiale della catena di
ingranaggi, sia per migliorare in termine di masse.
Di seguito le immagini relative al basamento modificato
MONTAGGIO TOTALE Dopo aver preso in considerazione singolarmente tutti i vari elementi
che sono stati progettati o modificati, si da una visualizzazione
d’insieme del progetto.
CONCLUSIONI
In questo elaborato, partendo da una configurazione già esistente del
riduttore,si è cercato per quanto possibile, di risolverne i problemi
esistenti,dovuti principalmente a fenomeni vibratori, e di semplificare
ed alleggerire i vari elementi del riduttore stesso,pensato per un
motore con una potenza di 250 cv a 14500 giri/min.
Quindi, riassumendo il lavoro svolto:
1. si è progettato uno smorzatore di vibrazioni a
pendoli che deve risolvere il problema delle
vibrazioni torsionali del secondo ordine,
2. si è riprogettata tutta la trasmissione,
sostituendo le ruote dentate a denti dritti
esistenti,con una coppia di ruote cilindriche
a denti elicoidali,
3. si è modificato, a causa del maggioringombro radiale delle ruote, ilbasamento e il naso, cercando disemplificarli il più possibile permantenerne inalterate le masse.
CONCLUSIONI
4. si è cercato di alleggerire quanto più possibile tutti gli elementi che sono stati
trattati, dato che non bisogna dimenticare che la massa ridotta è
fondamentale per un motore aeronautico. A questo proposito si è preparata
una tabella riassuntiva di tutte le masse in gioco, mettendole a confronto con
le masse della configurazione iniziale:
Dalla tabella si nota che
l’insieme risulta più leggero
rispetto alla configurazione
iniziale, questo nonostante che
il naso e il basamento siano
leggermente più pesanti a
causa del maggior ingombro
radiale delle ruote. In totale il
risparmio in termini di MASSA è
di circa 8kg rispetto alla
configurazione di partenza.
Paolo Margotti
Fine