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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