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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
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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
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OBIETTIVI PERSEGUITI NELLO STUDIO
• Affidabilità del 99,99 % essendo un componente
aeronautico, certificazione secondo JAR
• Leggerezza (circa 18 Kg)
• Semplicità
RIDUTTORE
INGRANAGGI ALBERI CARTER
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RIDUTTORE ATTUALE
Ad ingranaggi cilindrici dritti su 2 stadi
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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
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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
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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
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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
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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
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ALBERO ELICA
Pezzo unico, diametro elevato, montato su
bronzine, sezione anulare
Complicato alloggiamento
Minore rigidezza del supporto
maggiore peso
Soluzione adottata
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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
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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
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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
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Nuova soluzione con giuntoSoluzione attuale
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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
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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
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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
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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
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ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI
Verifica ruota in ogni suo punto
Primo albero Albero intermedio
Verifica a fatica zWequivalente
Sicurezza N = 5
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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
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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.
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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
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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
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PROGETTO DEL CARTER
Si è allargato il profilo del carter fino ad inglobare
i supporti esterni, aumentando la rigidezza della
struttura
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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
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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
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OTTIMIZZAZIONE
Valutazione sicurezza mediante metodo elementi finiti
Sicurezza minima N = 3,2 Peso carter = 3,7 Kg
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PROGETTO FINALE
Peso totale
Kg 14,1
Sicurezza minima
N=3,2
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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