Università degli Studi di Bologna
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Laboratorio di Disegno Meccanico T
Tesi di laurea di:
Relatore:
Tommaso Venturelli
Chiar.mo Prof. Ing. Luca
Piancastelli
Obbiettivi del progetto:
 Progetto e verifica di un riduttore ad ingranaggi
 Studio e progetto di un sistema di potenza ausiliaria per il takeoff
RIDUTTORE
SISTEMA DI POTENZA
AUSILIARIA
MOTORE
ELICA
Modello di partenza:
Motore FIAT 1.3 JTD multijet
Potenza: 110kW a 6000rpm
Specifiche di progetto:
• Rapporto di trasmissione
• Potenza ausiliaria: 30kW.
• Capacità di funzionamento in modalità reversibile per
produrre corrente elettrica.
• Pesi e ingombri contenuti.
• Affidabilità del 99.99%, essendo un componente
aeronautico, certificazione secondo EASA.
Linee guida del progetto
 Adozione di alberi di trasmissione cavi di diametro
elevato e spessore sottile.
 Montaggio su cuscinetti volventi.
 Carter adiacente agli organi che deve contenere.
 Interposizione di giunti elastici tra motore e riduttore.
 Motori elettrici brushless per il sistema di potenza
ausiliaria.
Gli ingranaggi
Scelta di ingranaggi formati da ruote a denti bielicoidali
•Trasmissione di potenza continua, silenziosa e regolare;
priva di urti e vibrazioni.
•Annullamento delle spinte assiali tipiche delle ruote
elicoidali, dunque minori sollecitazioni sui supporti.
Verifica a rottura per fatica e pitting secondo UNI 8862 e
ISO 6336
Disposizione delle ruote dentate
1 ruota dentata
albero primario
3
4
2 ruota dentata
albero elica
2
3-4 ruote dentate
albero motore
elettrico
1
Scelta di far ingranare le ruote dentate del sistema di potenza ausiliaria
(ruote 3 e 4) direttamente con la corona dell’albero elica.
I giunti elastici
 Dal motore provengono vibrazioni pericolose per gli
organi ad esso collegati.
 Volontà di smorzare e ridurre tali vibrazioni
Interposizione di due giunti elastici Giubo® tra motore e riduttore
I giunti elastici
Giunti elastici Giubo®:
•Ottima capacità di
smorzamento delle
vibrazioni.
• Funzionamento da
parastrappi tra motore e
utilizzatore, assorbendo i
picchi di coppia provenienti
dal primo.
I giunti elastici
Scelta delle dimensioni a catalogo in funzione della coppia da
trasmettere:
Pmax
110kW
Cnom 

 175 Nm
n
6000rpm
k=1.4 fattore che tiene conto delle
irregolarità tipiche di ogni applicazione
Cmax  1.4  Cnom  245Nm
Giunto scelto: T2GU12
Diametro esterno = 157mm
Spessore = 46mm
Massa = 359g
I giunti elastici
Il montaggio avviene per serraggio dei giunti elastici sulle
crociere degli alberi.
Montaggio in serie: resistenza torsionale 25Nm
I motori elettrici
Per il sistema di potenza ausiliaria si ricerca un componente
che eroghi una potenza di 30 kW con pesi e ingombri ridotti.
Tale sistema deve funzionare anche da alternatore,
assorbendo coppia meccanica e producendo energia
elettrica per ricaricare le batterie del velivolo durante la fase
di volo.
Motore elettrico brushless a magneti permanenti
I motori elettrici
Decisione di sdoppiare la potenza complessiva in
due unità da 15 kW l’una.
Scelta di un motore elettrico brushless da 15 kW
impiegato in aeromodellismo.
Potenza = 15kW
Velocità di rotazione = 7500rpm
Massa = 2590g
Lunghezza=126mm(escluso l’albero)
Diametro=109mm
I motori elettrici
Si opta per una disposizione dei motori elettrici “sopra” i
due giunti elastici:
Ingombri più
contenuti e
possibilità di
avvicinare le
masse al
motore.
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
 Coppia di progetto = 175Nm
 Sezione anulare cava con D/d = 10/8
 Flangia e crociera realizzate di pezzo con l’albero
 Coefficiente di sicurezza n = 4
 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8
 Resistenza ultima = 1250 – 1450 MPa
 Resistenza a snervamento = 1000 MPa
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
D = 30mm
d = 24mm
Lunghezza = 84.7mm
Massa: 1155g
Spessore flangia = 14.7mm
Spessore crociera = 14mm
Diametro fori crociera = 13mm
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
Verifica a resistenza secondo il
criterio di Von Mises:
FS = 5.2
Verifica soddisfatta!
La sollecitazione torsionale è
pulsante attorno ad un valore medio
piuttosto elevato (quasi statica)
pertanto non è affaticante.
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO ELICA
 Coppia di progetto = 175Nm
 Sezione anulare cava con D/d = 10/8
 Crociera realizzata di pezzo con l’albero
 Profilo scanalato a denti elicoidali per il calettamento della ruota dentata
 Sedi per alloggiamento di due cuscinetti a rulli conici
 Coefficiente di sicurezza n = 4
 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8
Gli alberi
ALBERO PRIMARIO LATO ELICA
Gli alberi
 D = 30mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza del
profilo scanalato per la ruota dentata
 d = 24mm
 Lunghezza profilo scanalato = 34mm
 Spessore crociera = 14mm
 Diametro fori crociera = 13mm
 Lunghezza = 190mm
 Massa: 987g
Gli alberi
Verifica statica secondo il criterio di Von
Mises:
FS = 8
Verifica soddisfatta con ampio margine!
La sollecitazione torsionale è pulsante
attorno a un valore medio piuttosto
elevato (quasi statica), la sollecitazione
flessionale costituisce un ciclo
all’inversione con valor medio nullo ed è
pertanto affaticante.
Verifica a fatica secondo UNI 7670:
FS = 2.5
Verifica soddisfatta!
Gli alberi
ALBERO ELICA
L’albero viene progettato e verificato nella condizione più
sfavorevole ovvero durante il decollo quando riceve
potenza sia dal motore elettrico che dal motore termico:
Pmax  Pt  Pe  110kW  30kW  140kW
Cmax
Pmax
140kW


 534 Nm
2 261.8rad / s
Gli alberi
ALBERO ELICA
 Coppia di progetto = 534Nm
 Sezione anulare cava con D/d = 10/8
 Profilo scanalato a denti elicoidali per il calettamento della
ruota dentata e della flangia d’attacco dell’elica
 Sedi per alloggiamento di due cuscinetti a rulli conici
 Coefficiente di sicurezza n = 4
 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8
Gli alberi
ALBERO ELICA
Gli alberi
 D = 40mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza
del profilo scanalato per la ruota dentata
 d = 32mm
 Lunghezza profilo scanalato = 55mm
 Lunghezza = 287mm
 Massa: 964g
Gli alberi
Verifica statica secondo il criterio di von Mises: FS = 7.3
Verifica a fatica secondo UNI 7670: la sollecitazione
torsionale è ancora una volta quasi statica, la sollecitazione
flessionale è affaticante con un ciclo all’inversione e valor
medio nullo.
FS = 4.2
Verifica soddisfatta!
Gli alberi
ALBERO MOTORE ELETTRICO
 Coppia di progetto = 19Nm
 Sezione anulare cava con D/d = 2
 Profilo scanalato per l’alloggiamento della ruota
dentata
 Coefficiente di sicurezza n = 4
 Materiale: acciaio da bonifica 30NiCrMo8
Gli alberi
3
2
1
Si notano:
1. Il perno d’albero sulla destra, sede del cuscinetto.
2. Il profilo scanalato per l’accoppiamento con la ruota dentata.
3. La zona d’albero per il forzamento a caldo del rotore del
motore elettrico (di cui non si effettuano i calcoli e la verifica
in quanto non sono note le caratteristiche del rotore del
motore elettrico).
Gli alberi
D = 15mm nella sezione più sollecitata in corrispondenza del
profilo scanalato per la ruota dentata
d = 7.5mm
Lunghezza profilo scanalato = 16.4mm
Lunghezza = 86.8mm (esclusa la parte alloggiata all’interno
del motore elettrico)
Massa: 180g
Gli alberi
Verifica statica secondo il
criterio di Von Mises:
FS = 15
Verifica a fatica secondo
UNI 7670; la
sollecitazione torsionale
è quasi statica, quella
flessionale è affaticante:
FS = 9.4
Verifiche soddisfatte con
ampio margine.
I cuscinetti
La scelta dei cuscinetti viene effettuata in funzione :
•Dei carichi agenti sui supporti, il cui valore è noto a seguito del
dimensionamento degli alberi.
•Del valore di T.B.O.(time between overhaul) assunto pari a 2000h.
•Del valore di affidabilità desiderata: 99%
a1=0.21
•Delle condizioni del materiale e della lubrificazione:
a23=1
Tutti i cuscinetti vengono scelti con la capacità di vincolare assialmente
l’albero: condizione necessaria per garantire un corretto ingranamento delle
ruote dentate bielicoidali.
Si perviene pertanto alla seguente scelta:
•Cuscinetti a rulli conici per l’albero primario e l’albero elica.
•Cuscinetti obliqui a sfere per l’albero del motore elettrico.
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO MOTORE
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 3518.2N
Cuscinetto a rulli conici: 32206 J2/Q
Dimensioni d’ingombro (mm)
Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
d
D
T
C
C0
30
62
21.25
50.1
57
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
8500
0.28
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    3165h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO PRIMARIO LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 3614.9N
Cuscinetto a rulli conici: 33205/Q
Dimensioni d’ingombro (mm)
Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
d
D
T
C
C0
25
52
22
47.3
56
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
10000
0.23
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    3079h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO ELICA LATO MOTORE
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 4667.5N
Cuscinetto a rulli conici: 32007 X/Q
Dimensioni d’ingombro (mm) Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
d
D
T
C
C0
35
62
18
42.9
54
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
8500
0.22
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    2270h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO ELICA LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto:
P  0.4  Fr  YFa  0.4 1142.83N  1.6  2899 N  5095.53N
Cuscinetto a rulli conici: 32008 X/Q
Dimensioni d’ingombro (mm)
Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
d
D
T
C
C0
40
68
19
52.8
71
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
7000
0.27
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    3394h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO MOTORE
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 495.7N
Cuscinetto a rulli conici: 7202 BEP
Dimensioni d’ingombro (mm)
d
15
D
35
T
11
Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
C
8.84
C0
4.8
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
24000
0.045
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    2737h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
CUSCINETTO ALBERO MOTORE ELETTRICO LATO ELICA
Carico dinamico equivalente in corrispondenza del supporto: P = 485.9N
Cuscinetto a rulli conici: 7301 BEP
Dimensioni d’ingombro (mm)
Coeff. di carico (kN)
Dinamico
Statico
d
D
T
C
C0
12
37
12
10.6
5
Velocità di
riferimento
(rpm)
Massa
(kg)
24000
0.063
Durata corretta in ore di funzionamento:
p
L10 h
1000000
1000000
C 

Lna 
a1a23    4842h
60  n
60  n
P
Verificato!
I cuscinetti
Il riduttore “idealmente” composto
Il carter
•Progetto di un carter che sia quanto più aderente possibile agli organi
contenuti.
•Scelta di un piano di divisione trasversale agli assi delle ruote dentate;
ciò comporta un duplice vantaggio:
•Facilità di montaggio dei componenti che devono essere
alloggiati all’interno del carter stesso.
•Sedi dei cuscinetti in un pezzo unico: maggiore resistenza del
carter in detti punti che sono particolarmente sollecitati.
•Realizzazione del carter per pressofusione in conchiglia: elevata qualità
dei getti e tolleranze ristrette.
•Materiale di fabbricazione: lega di magnesio AZ 91 HP:
•Resistenza ultima
225 MPa
•Resistenza a snervamento
160 MPa
•Peso specifico
1.8kg/dm3
Il carter
Il carter
Dalle immagini che seguono si notano:
1.
Le sedi dei cuscinetti filettate nella parte terminale per permettere
l’avvitamento delle ghiere.
2.
Le orecchie per il collegamento dei due semicarter (7 fori M5 e 3 fori
M12).
3.
Gli attacchi per i tubi dell’olio, proveniente dal motore, per la
lubrificazione degli ingranaggi e dei cuscinetti. Sono previsti due attacchi
in corrispondenza delle ruote dentate dei motori elettrici e uno in
corrispondenza del cuscinetto albero elica lato elica, nonché un pozzetto
di raccolta, nella parte inferiore del carter, per il recupero dell’olio.
Il carter
1
2
3
Il carter
I due semicarter dopo l’assemblaggio
Il carter
Per vincolare assialmente gli alberi si sono progettate
delle ghiere filettate da avvitare sui filetti ricavati sul
carter in corrispondenza delle sedi dei cuscinetti.
Duplice vantaggio:
1. Possibilità di vincolare assialmente
l’albero, facendo ingranare
correttamente le ruote bielicoidali.
2. Possibilità di regolare il precarico
sui cuscinetti in maniera rapida e
precisa mediante l’ausilio di
spessori pelabili.
Il carter
Il carter
Il sostegno del carter avviene
mediante una piastra fissata al
motore, dalle quale partono 3
tubi che arrivano fino al carter.
La piastra è avvitata al motore
in corrispondenza dei fori della
campana del cambio.
La parte terminale dei tubi è
filettata per permettere
l’avvitamento di 3 viti M12, che
fungono anche da viti di
serraggio per i due semicarter.
Sul tubo superiore si ricava poi
il sostegno per i due motori
elettrici.
La Flangia dell’elica
•Progettata in funzione del disegno commercialmente reperibile
Rotax.
•L’accoppiamento con l’albero elica avviene tramite un profilo
scanalato, con identiche caratteristiche rispetto a quello progettato
per la ruota dentata.
•Il vincolamento assiale avviene mediante una ghiera M36 che va
ad avvitarsi sulla parte terminale dell’albero elica.
•Il materiale scelto è la lega di titanio Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo.
•La massa del componente progettato è pari a 517g.
La flangia dell’elica
Modello Rotax
Flangia dell’elica: alleggerimento
rispetto al modello in commercio.
Riduttore Completo
Riduttore Completo
Conclusioni e sviluppi futuri
Gli obbiettivi di progetto inizialmente esposti si ritengono pienamente
raggiunti.
La massa totale (comprensivo di carter, organi contenuti ,motori elettrici, giunti
e viteria) è pari a 21.8kg: valore più che soddisfacente, considerando che più di
metà del peso deriva da componenti scelti a catalogo.
Gli alberi risultano verificati sia staticamente che a fatica per un valore di 2000h
di funzionamento.
Gli ingranaggi risultano verificati secondo ISO 6336.
Conclusioni e sviluppi futuri
I motori elettrici brushless, permettono di coniugare le potenzialità di due sistemi
in un unico componente: potenza ausiliaria in fase di decollo, funzionamento da
alternatore in fase di volo.
Si ritiene valida e corretta la scelta del tipo di motore brushless: con una massa
complessiva di 5.7kg è in grado di fornire il 21% della potenza totale in fase di
decollo.
Principale problema è stato il soddisfacimento delle condizioni di verifica dei profili
scanalati; avendo scelto alberi con diametri più piccoli, si sarebbero ottenuti profili
scanalati molto più lunghi con conseguente aumento dell’ingombro assiale e peso
dei componenti sostanzialmente inalterato.
Conclusioni e sviluppi futuri
Gli elevati fattori di sicurezza che si sono ottenuti nella verifica statica e a
fatica consentono ulteriori sviluppi del progetto.
È possibile infatti pensare di riprogettare gli alberi al fine di alleggerirli. Per
far ciò si potranno adottare diametri degli alberi inferiori, ipotizzando di
sostituire i profili scanalati con ruote di pezzo con l’albero, eliminando così il
componente che ha limitato lo sviluppo del progetto nella direzione
dell’alleggerimento dei pesi.
A completamento del progetto si potrà prevedere una verifica del carter con
il metodo degli elementi finiti.