UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA ELABORATO FINALE DI LAUREA in Disegno Tecnico Industriale DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DI UNA TRASMISSIONE PER MOTORE DIESEL AERONAUTICO Tesi di Laurea di: Relatore: GIAN LUCA VALLI Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Anno Accademico 2004/2005 Sessione invernale
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CON SEDE A CESENA
ELABORATO FINALE DI LAUREA
in
Disegno Tecnico Industriale
DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DI UNA TRASMISSIONE
PER MOTORE DIESEL AERONAUTICO
Tesi di Laurea di: Relatore:
GIAN LUCA VALLI Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI
Anno Accademico 2004/2005
Sessione invernale
OBIETTIVI DELLA TESI• Dimensionare una trasmissione per un Business Jet del peso
massimo al decollo di circa 16000 kg (Citation X);
• Adattabilità a un motore ibrido capace di fornire circa 4000 CV di potenza alla quota di crociera (13000 m);
• Leggerezza e silenziosità dell’applicazione;
• Funzionamento indipendente dei fan;
• Affidabilità del sistema del 99,9999 % per 3000 ore complessive di funzionamento;
• Previsione di un dispositivo di emergenza per permettere il funzionamento di un solo fan in caso di guasto dell’altro.
Conversione DB605A - VD007
• Accensione comandata
• Potenza: 1500 CV
• Rapporto di compressione: 7,4
• Regime di rotazione: 2800 rpm
• Peso complessivo: 700 kg ca.
• Accensione spontanea
• Potenza: 2200 CV
• Rapporto di compressione: 15,5
• Regime di rotazione: 3800 rpm
• Peso complessivo: 350 kg ca.
� �
Il Turbocompound
Affiancato al motore Diesel VD007 sfrutta i gas combusti ancora caldi in
uscita dallo stesso, offrendo, grazie a una turbina, potenza aggiuntiva
all’applicazione.
Potenza aggiuntiva:
+ 1200 CV
Posizionamento della trasmissione
Velivolo di riferimento: CESSNA 750 Citation X
Motore
Fan
1 – Moltiplicatore - riduttore
2 – Rinvio angolare centrale
4 – Rinvii angolari ai fan
3 – Alberi di trasmissione in carbonio
Posizionamento della trasmissioneRiproduzione 3d del
CESSNA Citation X,
con trasmissione e
fan montati.
Rendering
Materiali utilizzati
-ACCIAIO 300M (DERIVATO DA AISI4340)
Ottime caratteristiche meccaniche
Tensione limite σLIM = 2070 Mpa
Densità ρ = 7,87 kg/dm3
Modulo di elasticità E = 199955 Mpa
Pamm = 1015 Mpa
-LEGA DI ALLUMINIO Gc Al Si 12 Mn Mg
Densità ρ = 2,65 kg/dm3
Fibra di carbonio
Tessuto T300
E = 170000 Mpa
σLIM = 300 Mpa
Densità ρ = 1,9 kg/dm3
Il moltiplicatore - riduttoreNecessità di ottenere uno stadio di moltiplicazione direttamente dal
regime di rotazione del motore a quello dei fan.
Rapporti di trasmissione richiesti:
Ruota motore – condotta � 2,54
Ruota turbina – condotta � 0,29
Z1 = 66 Z3 = 26
Z2 = 14 Z4 = 48
1
3
4
2
p fD m z= ⋅
cosβ
nf
mm =
Il modulo normale mn è scelto in base al progetto a usura superficiale e a
resistenza a flessione del dente:
2
dη cosβt amm amm nF p m b f= � � � � �
dσ η cosβt amm amm n
F m b y= � � � � �
(USURA)
(RESISTENZA)
amm t ammP F V= ⋅
1
Supporto alle ruote dentateScelta di cuscinetti commerciali
volventi, a singola e doppia
corona di sfere.
Verificati a durata in ore:
60
p
Rh r
e a
L CL K
n F K
= ⋅ ⋅
⋅ ⋅
Kr Ka
Carter e tenute
MATERIALE CARTER : Gc Al Si 12 Mn Mg (LEGA DI ALLUMINIO)
DENSITA’: ρ = 2,65 kg/dm3
Tenuta con anello ANGUS DPSM
Rinvio angolare centrale
Ruote coniche a dentatura spiroidale:
Rapporto di trasmissione unitario
Z1 = Z2 = Z3 = 32
Angolo tra gli assi θ = 90°
Angolo di semiapertura del cono α = 45°
Angolo di spirale ψ = 35°
1
3
2
2
Rinvio angolare centraleCuscinetti a rulli conici (montaggio in opposizione a “O”) e ghiera filettata per il bloccaggio assiale con rosetta di sicurezza
Accoppiamento con moltiplicatore
Accoppiamento con profilo scanalato ad
appoggio medio e centraggio interno
Alberi di trasmissione in materiale composito
Inserti per inserimento di
un giunto omocinetico a
sfere
MATERIALE: Fibra di carbonio T300
FABBRICAZIONE: Tecnica del tape winding
3
Verifiche degli alberi
-Verifica a velocità critica: formule di Dunkerley
Freccia statica
4
4 4
5
384
64
p
m gL
LfD d
E π
⋅⋅
= ⋅
− ⋅
Numero di
giri critico
1000c
P
nf
=
Per un albero di lunghezza massima stimata di 1900 mm e spessore
impostato di 2mm (20 pelli da 0,1 mm di fibra di carbonio):
D= 160 mm m = 3,58 kg fp= 5,955 x 10-3 nc=12959 rpm
d= 156 mm
-Verificato poi a resistenza a momento torcente
Materiale T300
E= 170000 Mpa
σlim = 300 Mpa
ρ = 1,9 Kg/dm3
Giunti omocinetici
Giunti omocinetici del tipo Rzeppa
Montati alle estremità degli alberi consentono piccoli spostamenti angolari tra gli assi degli alberi e degli altri componenti della trasmissione.
Rinvii angolari ai fanCoppia conica di ruote a
dentatura spiroidale:
Rapporto di trasmissione
unitario
Z1 = Z2 = 32
Angolo tra gli assi θ = 90°
Angolo di semiapertura
del cono α = 45°
Angolo di spirale ψ = 35°
Spina di emergenza
progettata a taglio per
cedere in caso di
sovraccarichi improvvisi
dovuti ad esempio ad
ostruzione dei fan
4
I fan
Ventilatori intubati ad alta efficienza e rumorosità ridotta
Trasmissione completa
Prospettiva dal retro - destra
Conclusioni
• Dopo un primo dimensionamento di massima, la trasmissione sembra realizzabile e adattabile ad un aeroplano executive come il CESSNA Citation;
• Per rimanere in sicurezza l’interasse tra i due fan è il massimo imponibile, in quanto gli alberi sono verificati a velocità critica;
• Non è possibile ridurre ulteriormente il diametro massimo dell’ogiva dei fan, perché è già il minimo indispensabile per contenere al suo interno il rinvio angolare;
• La trasmissione è progettata per 3000 ore di funzionamento con un’affidabilità del 99,9999%, con la sola sostituzione dell’olio di lubrificazione e dei filtri;
• Il peso complessivo dell’applicazione (escluso motore Diesel) èapprossimativamente di 235 kg a secco (senza olio).