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ALMA MATER STUDIORUM-UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIACON SEDE A CESENA

CORSO DI LAUREAIN INGEGNERIA MECCANICA

Sede di Forlì

ELABORATO FINALE DI LAUREA

In Disegno Tecnico Industriale

STUDIO DI MASSIMA DEL RUOTINO POSTERIORESTUDIO DI MASSIMA DEL RUOTINO POSTERIOREPER LA REPLICA DEL MACCHI 205PER LA REPLICA DEL MACCHI 205

CANDIDATO: RELATORE:Marco Tribunale Prof. Ing. Luca Piancastelli

CORRELATORI:Prof. Ing. Franco PersianiDott. Ing. Enrico Asirelli

Anno Accademico 2003/2004Sessione II

Scopo della tesiScopo della tesi

Lo scopo della tesi Lo scopo della tesi èè quello di quello di riprogettareriprogettare il ruotino il ruotino di coda per la replica del Macchi Cdi coda per la replica del Macchi C.205.205 Veltro Veltro utilizzando soluzioni tecniche e materiali moderni, utilizzando soluzioni tecniche e materiali moderni, al fine di ottimizzarne la funzionalital fine di ottimizzarne la funzionalitàà e di e di contenerne il peso. Gli obiettivi principali sono:contenerne il peso. Gli obiettivi principali sono:

•• razionalizzare la struttura;razionalizzare la struttura;

•• ottenere un ruotino di coda che possaottenere un ruotino di coda che possaessere sterzato essere sterzato ““attivamenteattivamente””..

Caratteristiche del Macchi CCaratteristiche del Macchi C.205.205 VeltroVeltroIl velivolo Macchi CIl velivolo Macchi C.205.205 V V èè un aeroplano da caccia, monoplano, monoposto, un aeroplano da caccia, monoplano, monoposto, di costruzione interamente metallica, di costruzione interamente metallica, monomotoremonomotore, monocomando., monocomando.

Dati tecnici (CDati tecnici (C.205.205 Veltro III serie)Veltro III serie)

•• Peso a vuotoPeso a vuoto 2581 kg2581 kg•• Carico utileCarico utile 827 kg827 kg•• Potenza massima al decolloPotenza massima al decollo 1475 1475 cvcv•• AltezzaAltezza 3.03 m3.03 m•• Apertura alareApertura alare 10.58 m10.58 m•• Lunghezza ala Lunghezza ala sxsx 4.521 m4.521 m•• Lunghezza ala Lunghezza ala dxdx 4.321 m4.321 m•• Superficie alareSuperficie alare 16.8 m16.8 m22

•• Carico alareCarico alare 202.86 kg/m202.86 kg/m22

•• Salita a 5000 mSalita a 5000 m 44’’4747’’’’•• Salita a 7000 mSalita a 7000 m 77’’66’’’’•• Quota tangenza praticaQuota tangenza pratica 11000 m11000 m•• VelocitVelocitàà maxmax (7200 m)(7200 m) 642 Km/h642 Km/h•• AutonomiaAutonomia 920 Km920 Km

Il carrello dIl carrello d’’atterraggio del Catterraggio del C.205.205 VeltroVeltro•• Il Macchi CIl Macchi C.205.205 Veltro Veltro èè dotato di un carrello ddotato di un carrello d’’atterraggio con configurazione a atterraggio con configurazione a

triciclo posteriore.triciclo posteriore.

•• Il baricentro dellIl baricentro dell’’aereo, in condizioni di atterraggio normale, aereo, in condizioni di atterraggio normale, èè posizionato molto posizionato molto vicino alla verticale passante per il centro delle ruote anteriovicino alla verticale passante per il centro delle ruote anteriori.ri.

Il ruotino di coda del CIl ruotino di coda del C.205.205 VeltroVeltro

•• Il ruotino posteriore del Macchi CIl ruotino posteriore del Macchi C.205.205 Veltro Veltro èè di tipo retrattile alldi tipo retrattile all’’interno interno della coda delldella coda dell’’aereo, aereo, èè dotato di ammortizzatore ed dotato di ammortizzatore ed èè sterzante.sterzante.

•• Il movimento di estrazione/Il movimento di estrazione/retrazioneretrazione èè comandato da un comandato da un attuatoreattuatore idraulico idraulico tramite un cinematismo abbastanza complesso.tramite un cinematismo abbastanza complesso.

•• Il carrello posteriore Il carrello posteriore èè dotato di una ruota (con dotato di una ruota (con pneumatico da 300 mm di diametro e 100 mm pneumatico da 300 mm di diametro e 100 mm di spessore) che ha la possibilitdi spessore) che ha la possibilitàà di girare di girare attorno allattorno all’’asse del corpo dellasse del corpo dell’’ammortizzatore ammortizzatore e con une con un’’escursione verticale di 127 mm.escursione verticale di 127 mm.

•• Il ruotino di coda del Macchi CIl ruotino di coda del Macchi C.205.205 Veltro Veltro èèdotato di un dispositivo di blocco automatico dotato di un dispositivo di blocco automatico della rotazione che viene utilizzato nelle fasi di della rotazione che viene utilizzato nelle fasi di decollo e atterraggio.decollo e atterraggio.

Il nuovo ruotino di codaIl nuovo ruotino di coda

•• Il nuovo ruotino di coda possiede Il nuovo ruotino di coda possiede le stesse funzioni di quello le stesse funzioni di quello originale (originale (èè retrattile e retrattile e ammortizzato) con, in piammortizzato) con, in piùù, la , la possibilitpossibilitàà di essere sterzato a di essere sterzato a piacere dal pilota dalla cabina di piacere dal pilota dalla cabina di pilotaggio.pilotaggio.

•• Per la maggioranza delle parti Per la maggioranza delle parti progettate si progettate si èè scelto di utilizzare scelto di utilizzare lega di alluminio 7075 T6.lega di alluminio 7075 T6.

•• In secondo luogo si utilizza un In secondo luogo si utilizza un acciaio speciale, chiamato acciaio speciale, chiamato ThermacromThermacrom..

Parametri di progettoParametri di progettoNonostante il nuovo ruotino di coda differisca notevolmente dal Nonostante il nuovo ruotino di coda differisca notevolmente dal quello originale, quello originale, si si èè cercato di mantenere inalterato il valore di alcune dimensioni cercato di mantenere inalterato il valore di alcune dimensioni e quote e quote fondamentali che certamente influenzano il funzionamento della sfondamentali che certamente influenzano il funzionamento della struttura.truttura.In particolare:In particolare:

•• la distanza tra il centro della la distanza tra il centro della ruota e il centro attorno a cui ruota e il centro attorno a cui questa gira nel movimento di questa gira nel movimento di estrazione/estrazione/retrazioneretrazione;;

•• ll’’ampiezza dellampiezza dell’’angolo formato angolo formato dalldall’’orizzontale che rappresenta orizzontale che rappresenta il suolo e dallil suolo e dall’’asse di sterzata asse di sterzata del ruotino;del ruotino;

•• la distanza tra il centro della la distanza tra il centro della ruota e lruota e l’’asse di sterzata;asse di sterzata;

•• ll’’ampiezza dellampiezza dell’’angolo che descrive la ruota nel movimento rotatorio di angolo che descrive la ruota nel movimento rotatorio di estrazione/estrazione/retrazioneretrazione: ha un valore di circa 59 gradi;: ha un valore di circa 59 gradi;

•• ll’’escursione verticale della ruota: nel progetto originale aveva uescursione verticale della ruota: nel progetto originale aveva un valore di n valore di 127 mm, nel nuovo ruotino di coda 127 mm, nel nuovo ruotino di coda èè stata aumentata un poco fino al valore stata aumentata un poco fino al valore di circa 144 mm;di circa 144 mm;

•• il diametro e spessore del pneumatico: quello originale aveva diil diametro e spessore del pneumatico: quello originale aveva diametro di ametro di 300 mm e larghezza di 100 mm, quello utilizzato nel nuovo ruotin300 mm e larghezza di 100 mm, quello utilizzato nel nuovo ruotino di o di coda, prodotto da coda, prodotto da GoodyearGoodyear, ha diametro e larghezza rispettivamente di , ha diametro e larghezza rispettivamente di 336 mm e 133 mm (le misure fornite dalla casa sono in pollici). 336 mm e 133 mm (le misure fornite dalla casa sono in pollici).

Funzionamento e soluzioni tecniche adottateFunzionamento e soluzioni tecniche adottate

Sistema ammortizzante e sistema di estrazione/Sistema ammortizzante e sistema di estrazione/retrazioneretrazione della ruotadella ruota

•• Lo schema del sistema ammortizzante Lo schema del sistema ammortizzante èèstato preso a prestito direttamente dalla stato preso a prestito direttamente dalla tecnica motociclistica di qualche anno fa e tecnica motociclistica di qualche anno fa e non differisce molto dallo schema del non differisce molto dallo schema del ruotino di coda originale.ruotino di coda originale.

•• Il sistema di estrazione/Il sistema di estrazione/retrazioneretrazione della della ruota ruota èè basato sullbasato sull’’utilizzo di un cilindro utilizzo di un cilindro idraulico dotato di blocco meccanico idraulico dotato di blocco meccanico interno in entrambe le posizioni di fine interno in entrambe le posizioni di fine corsa.corsa.

Sistema sterzante e relativo bloccaggio/Sistema sterzante e relativo bloccaggio/sbloccaggiosbloccaggio

•• La parte che connette il La parte che connette il ruotino di coda allruotino di coda all’’aereo aereo (attacco alla centina) (attacco alla centina) èècostituita da due costituita da due flangeflange, un , un albero cavo e due parti tubolari albero cavo e due parti tubolari saldati tra di loro. saldati tra di loro.

•• Quando il blocco non Quando il blocco non èèattivato, tutto il ruotino di coda attivato, tutto il ruotino di coda può girare attorno allpuò girare attorno all’’asse asse delldell’’attacco alla centina, che attacco alla centina, che èèfisso.fisso.

•• Il sistema che permette il Il sistema che permette il bloccaggio/bloccaggio/sbloccaggiosbloccaggio della della sterzata sterzata èè costituito da un costituito da un meccanismo a slitta. meccanismo a slitta.

Collegamenti mediante cuscinetti radiali a rulli coniciCollegamenti mediante cuscinetti radiali a rulli conici

•• Nel progetto del nuovo Nel progetto del nuovo ruotino di coda sono stati ruotino di coda sono stati utilizzati cuscinetti radiali a utilizzati cuscinetti radiali a rulli conici per collegare le rulli conici per collegare le parti che devono avere una parti che devono avere una rotazione relativa e che, rotazione relativa e che, nellnell’’uso, si scambiano forze uso, si scambiano forze combinate (radiali/assiali).combinate (radiali/assiali).

•• Il montaggio dei cuscinetti Il montaggio dei cuscinetti radiali a rulli conici sulle radiali a rulli conici sulle varie parti varie parti èè sempre lo stesso. sempre lo stesso. NellNell’’immagine, per esempio, immagine, per esempio, si si èè preso il cannotto della preso il cannotto della forcella.forcella.

Collegamenti mediante perno e anello elastico di sicurezzaCollegamenti mediante perno e anello elastico di sicurezza

•• Per il collegamento delle teste Per il collegamento delle teste delldell’’ammortizzatore e del cilindro ammortizzatore e del cilindro idraulico alle rispettive parti si idraulico alle rispettive parti si èè usato usato un perno recante una gola per un perno recante una gola per ll’’inserimento di un anello elastico di inserimento di un anello elastico di sicurezza, che impedisca la fuoriuscita sicurezza, che impedisca la fuoriuscita del perno stesso.del perno stesso.

•• Tra le teste dellTra le teste dell’’ammortizzatore e del ammortizzatore e del cilindro idraulico e le rispettive staffe cilindro idraulico e le rispettive staffe di attacco, vengono interposti due di attacco, vengono interposti due anelli di materiale anelli di materiale autolubrificanteautolubrificante, tipo , tipo bronzo sinterizzato. bronzo sinterizzato.

Schema di atterraggio e Schema di atterraggio e determinazione dei carichi al suolodeterminazione dei carichi al suolo

•• Per la determinazione del carico massimo agente sul ruotino di cPer la determinazione del carico massimo agente sul ruotino di coda si oda si èè fatto fatto riferimento a quella condizione di atterraggio che nella FAR 23 riferimento a quella condizione di atterraggio che nella FAR 23 viene viene chiamata chiamata ““TailTail down down landinglanding””..

•• La massima reazione del suolo sul carrello dLa massima reazione del suolo sul carrello d’’atterraggio viene calcolata atterraggio viene calcolata considerando la massa a pieno carico considerando la massa a pieno carico ““mmmaxmax”” delldell’’aereo (3408 Kg) e un aereo (3408 Kg) e un coefficiente di contingenza coefficiente di contingenza ““nn”” pari a 5 (valore suggerito per velivoli pari a 5 (valore suggerito per velivoli militari):militari):

R = (nR = (n--1)1)××mmmaxmax××gg = (5= (5--1)1)××34083408××99.81.81 = 133730 N= 133730 N

•• Questa forza Questa forza èè la forza totale agente sul carrello dla forza totale agente sul carrello d’’atterraggio; ora bisogna atterraggio; ora bisogna trovare come si ripartisce tra carrello principale e ruotino di trovare come si ripartisce tra carrello principale e ruotino di coda: per fare coda: per fare questo si utilizza un metodo preso a prestito dallo questo si utilizza un metodo preso a prestito dallo ““Standard di Standard di aeronavigabilitaeronavigabilitàà per alianti elementariper alianti elementari””..

• Si ottiene un sistema di due equazioni in due incognite:

Equilibrio dei momenti rispetto al baricentro 803.73×Rp = 5090.27×RcEquilibrio delle forze Rp+Rc = R

• Risolvendo il sistema si trovano i valori dei carichi al suolo:

Rc = 18244 N Rp = 115486 N

•• Come si può vedere, Come si può vedere, èè il carrello principale che il carrello principale che èè sollecitato maggiormente. sollecitato maggiormente.

Calcolo delle forze agentiCalcolo delle forze agentitra le parti del ruotino di codatra le parti del ruotino di coda

•• Una volta determinato il valore della reazione massima del suoloUna volta determinato il valore della reazione massima del suolo sul sul pneumatico del ruotino di coda, si passa a calcolare lpneumatico del ruotino di coda, si passa a calcolare l’’entitentitàà delle forze che si delle forze che si scambiano le varie parti della struttura per potere, successivamscambiano le varie parti della struttura per potere, successivamente, ente, effettuare una verifica dei componenti stessi.effettuare una verifica dei componenti stessi.

Verifica dei componenti commercialiVerifica dei componenti commerciali•• Per la verifica dei componenti commerciali utilizzati nel ruotinPer la verifica dei componenti commerciali utilizzati nel ruotino di coda ci si o di coda ci si èè

basati, dove possibile, sui dati presenti sui cataloghi delle dibasati, dove possibile, sui dati presenti sui cataloghi delle ditte produttrici:tte produttrici:

pneumatico pneumatico GoodyearGoodyear 18244 N 18244 N ((RcRc)) < 41420 N < 41420 N ((maximummaximum bottomingbottoming loadload))

cilindro idraulico cilindro idraulico CytecCytec 44276 N 44276 N ((FcFc)) < 46000 N < 46000 N (holding force)(holding force)

cuscinetti SKFcuscinetti SKF ss00 (fattore di sicurezza statico)(fattore di sicurezza statico) > 1.8 > 1.8 (valore scelto da tabella)(valore scelto da tabella)

ss0 0 = C= C0 0 (coeff. carico statico)(coeff. carico statico)/P/P0 0 (carico statico equivalente)(carico statico equivalente)

PP0 0 = 0.5= 0.5××Fr+YFr+Y00××FaFa

Fa = (0.5Fa = (0.5××Fr)/YFr)/Y

Verifica delle parti progettateVerifica delle parti progettatecon con COSMOSXpressCOSMOSXpress

•• Una volta definite le dimensioni fondamentali delle parti del ruUna volta definite le dimensioni fondamentali delle parti del ruotino di coda e otino di coda e dopo aver calcolato le forze interne, si dopo aver calcolato le forze interne, si èè passati alla definizione di quelle quote passati alla definizione di quelle quote che determinano la resistenza dei componenti della struttura; peche determinano la resistenza dei componenti della struttura; per fare questo r fare questo èèstato utilizzato il software stato utilizzato il software COSMOSXpressCOSMOSXpress..

•• LL’’obiettivo che ci si obiettivo che ci si èè prefissati prefissati èè quello di alleggerire al massimo le parti della quello di alleggerire al massimo le parti della struttura, mantenendo un coefficiente di sicurezza vicino al valstruttura, mantenendo un coefficiente di sicurezza vicino al valore di 1.5 (di poco ore di 1.5 (di poco maggiore).maggiore).

•• A titolo dA titolo d’’esempio, si riportano i risultati finali ottenuti sulla forcellaesempio, si riportano i risultati finali ottenuti sulla forcella: il : il coefficiente di sicurezza della parte in questione risulta essercoefficiente di sicurezza della parte in questione risulta essere pari a circa 1.56, a e pari a circa 1.56, a fronte di una tensione equivalente massima di circa 359 fronte di una tensione equivalente massima di circa 359 MPaMPa e di una tensione di e di una tensione di rottura del materiale di 560 rottura del materiale di 560 MPaMPa (lega 7075 T6).(lega 7075 T6).

ConclusioniConclusioni

•• Si può affermare che gli obiettivi prefissati sono stati pienameSi può affermare che gli obiettivi prefissati sono stati pienamente raggiunti; nte raggiunti; infatti infatti èè stato realizzato un ruotino di coda pistato realizzato un ruotino di coda piùù semplice e di pisemplice e di piùù facile facile montaggio rispetto a quello originale e che, soprattutto, montaggio rispetto a quello originale e che, soprattutto, èè in grado di in grado di direzionare ldirezionare l’’aereo attivamente.aereo attivamente.

•• La massa complessiva La massa complessiva èè stata contenuta ad un valore prossimo ai 27 kg.stata contenuta ad un valore prossimo ai 27 kg.

•• Il ruotino di coda resiste alle sollecitazioni imposte dalle conIl ruotino di coda resiste alle sollecitazioni imposte dalle condizioni di dizioni di atterraggio considerate. atterraggio considerate.