Replica ultraleggera BF-109K - D`Agostino

Università degli Studi di Bologna
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno Tecnico Industriale
Studio ed ottimizzazione di
alcuni sistemi di una replica
ultraleggera di un BF-109K
Tesi di laurea di:
Benedetto Maria D’Agostino
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori:
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Dott. Ing. Cristina Renzi
Anno Accademico 2006-2007
Sessione II
Bologna 23/10/2007
Ambito dello Studio
Realizzazione di un velivolo ultraleggero le cui linee
richiamino quelle di un aereo della seconda guerra mondiale:
il Messerschmitt BF-109K in scala 1:1
Scopo della tesi
 Realizzare il modello solido dei piani di coda
 Progettare e fornire un dimensionamento di massima di
un nuovo comando “trim” del piano di coda orizzontale
CARATTERISTICHE TECNICHE
La forma esterna e la geometria
rimangono le stesse dell’aeroplano
originale. Unica differenza nel
materiale utilizzato e nel peso
finale.
Dati tecnici del velivolo
originale :
Apertura alare
= 9,92m
Lunghezza
= 9,02m
Altezza
= 2,68m
Superf. Alare
= 16,05 mq
Motore
= Daimler Benz DB605
Potenza al decollo
=1475CV
Peso max al decollo
=3375Kg
Caratteristiche di volo:
velocità massima: 728 Km/h
velocità di crociera: 645 Km /h
velocità minima: 150 Km/h
autonomia di crociera: 720 Km
Caratteristiche tecniche del velivolo ULM
 Peso massimo al decollo 450 kg con 2 piloti
da 75 kg cadauno
Omologazione nella categoria acrobatica:
fattore di carico n=6
 Quota massima 300 m
Il motore che verrà montato
su questa versione
è un motore motociclistico
riadattato per un ultraleggero
 Potenza = 152 CV
 N° giri = 12000 rpm
 Coppia = 105 Nm
 Peso = 75 kg
Gli ingombri sono molto ridotti rispetto al 12
cilindri DB 605.
Lo spazio ricavato dal cofano è riutilizzato per
un posto passeggero davanti a quello pilota.
COMANDO DEL PIANO DI CODA
Il piano di coda orizzontale nella soluzione originale era
fisso…
….e veniva incastrato tra le due parti
dell’impennaggio verticale
COMANDO DEL PIANO DI CODA
Nella nuova soluzione il piano di coda potrà
Il piano di coda così realizzato sarà supportato
ruotare attorno all’asse orizzontale (asse di
da 2 boccole autolubrificanti alloggiate nei fori
beccheggio) di una quantità pari a ±2,5°
appositamente praticati nel piano verticale
COMANDO DEL PIANO DI CODA
•
•
Si è scelto di rendere il piano di coda orizzontale mobile per permettere al pilota di
riportare il velivolo nell’assetto desiderato allorchè, in assetti quali la cabrata e la
picchiata, i comandi primari risultano particolarmente “duri”.
In effetti , in questo modo, il piano di coda, attraverso la sua lievissima rotazione ,tende
a far uscire l’aereo dall’assetto di cabrata o di picchiata senza agire sulla cloche, bensì su
un volantino posto a fianco della seduta di pilotaggio
MOMENTO DI CERNIERA
•
Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti, sono relativi al momento di
cerniera agente nel centro di rotazione del comando. Questo è ricavato dalle
seguenti relazioni grazie all’utilizzo di grafici sperimentali e derivate
aerodinamiche:
1

M ca   V 2 S a caCMca
2

 C 
CMca   Mca  *  a
  a 
Momento di cerniera del piano di coda dato
da: pressione dinamica, superficie del piano
di coda, corda media del piano di coda e
coefficiente di momento di cerniera
Coefficiente di momento di cerniera:
t
variazione del coefficiente di momento
dovuto alla rotazione del piano di coda
C
Nel caso in questione, i dati sono i seguenti
ρ= 1.225 kg/m^3
V=728 km/h
Sa= 2,42m^2
Ca=0,843m
CMca= -0,08
Mca=5000Nm
da
Calcolo del rapporto di trasmissione necessario
Per questioni di ingombro e di comodità di presa da parte del pilota, si è scelto di adottare
un volantino di comando di raggio pari a 100mm.
50N
100mm
Dunque, supponendo la forza applicabile da
parte di un uomo di media corporatura pari a
50N, si avrà un momento sul volantino pari a:
Mvol=5Nm.
Sul piano di coda agisce un momento di
cerniera pari a 5000Nm, per cui dal volantino
al piano di coda, sarà necessario un rapporto di
trasmissione totale pari a:
ηtot=1/1000
Riduzione ad ingranaggi
Componenti del sistema di comando
Le due superfici che compongono il piano di coda sono accoppiate con due tubi cavi ad
una leva su cui saranno agganciati i cavi di comando in acciaio
Componenti del sistema di comando:leva di comando
La leva di comando, in acciaio legato 300M, sarà fissata ai due tubi cavi con
dei bulloni e degli anelli elastici in acciaio necessari per annullare il possibile
gioco.
La leva di comando avrà un braccio di 300mm
in modo tale che, su ognuno dei due cavi
d’acciaio, agirà una forza di trazione di 16700N
Componenti del sistema di comando: cavi di collegamento,
carrucole di indirizzamento e percorso cavi

I cavi in acciaio inossidabile utilizzati
hanno il diametro di 5mm e sono del
tipo a 7 trefoli composti da 19 fili.
Possono resistere fino ad una forza di
trazione di 20000N. Saranno fissati ai
comandi tramite terminali arrotondati,
occhielli e piombini di chiusura.

Per indirizzare i cavi all’interno della
fusoliera in modo da portarli alla giusta
altezza, sono utilizzate delle carrucole in
resina epossidica, unificate ed adatte al
tipo di cavo utilizzato.
Componenti del sistema di comando: trasmissione a catena
La tensione necessaria alla
Sul volantino dicatena
comando
fissato da un
sarà èassicurata
il pignone della
trasmissione
apposito
tenditore a
catena che trasmette la rotazione
ad un albero ad asse parallelo
posto alle spalle della seduta di
pilotaggio
La trasmissione a catena è necessaria perché,
altrimenti, il meccanismo non troverebbe lo
spazio necessario a lato del pilota
Le caratteristiche della trasmissione a catena
sono le seguenti:
rapporto di trasmissione
ηcat.
=1/1,6
diametro primitivo pignone
numero di denti del pignone
diametro primitivo corona
numero di denti della corona
dp,pign =38mm
Zpign =15
dp,cor =61mm
Zruot =24
Componenti del sistema di comando: ingranaggio conico
Sull’albero su cui è fissata la corona a catena, è
calettato il pignone di un ingranaggio conico la
cui ruota sarà sollecitata da un momento
torcente pari a :
Mpign.con.=32Nm
Essendo il rapporto di trasmissione di tale
ingranaggio pari a 1/4
Le caratteristiche dell’ingranaggio conico sono
le seguenti:
rapporto di trasmissione
modulo medio
numero denti pignone
diametro primitivo pignone
numero denti ruota conica
diametro primitivo ruota conica
angolo di pressione tangenziale
ηconico
=1/4
m
=1,5
Zpign.con. =20
dp,pign.con. =30mm
Zruot.con. =80
dp,ruot.coni. =120mm
αt
=20°
Componenti del sistema di comando: ingranaggio vita
senza fine – ruota a denti elicoidali
Sull’albero su cui è fissata la ruota conica, è
ricavata, da pezzo, la vite senza fine ad un
principio che ingrana con la ruota a denti
elicoidali ,trasmettendo su quest’ultima un
momento torcente pari a :
Mruot.elic=32x150=4800Nm
essendo il rapporto di trasmissione di tale
ingranaggio pari a 1/150
Le caratteristiche dell’ingranaggio sono le
seguenti
modulo
numero denti ruota elicoidale
diametro primitivo ruota elicoidale
interasse tra vite e ruota
m
=2,5
Zruot.elic. =150
dp.ruot.elic.=375mm
i
=200mm
Componenti del sistema di comando: leva da accoppiare
all’albero della ruota elicoidale
Dividendo il momento torcente agente sulla ruota elicoidale per i 16700N che agiscono sui cavi provenienti
dal comando del piano di coda si ricava il braccio della leva da accoppiare all’albero su cui è calettata la ruota
dentata a denti elicoidali.
Si ottiene un braccio di leva pari a:
bleva=156mm.
Componenti del sistema di comando: materiale delle
ruote dentate, delle leve e degli alberi
•Rottura = 1930 MPa
41 SiNiCrMoV76 : 300M
(acciaio da bonifica AISI 4340 modificato)
• Snervamento = 1520 MPa
• Resistenza a fatica = 700 MPa
• Modulo elastico E = 205000 MPa
•Aggiunta di Si
• Nitrurato
Incremento
del limite
elastico e
della
resistenza
Le dimensioni delle ruote e l’alto peso
dell’acciaio 300M hanno fatto sì che le
ruote fossero forate il più possibile per
alleggerirle.
•Alte proprietà resistenziali (σ rottura)
•Alta resistenza usura
•Alta resistenza a fatica
Il
peso
complessivo
ingranaggi è di 6,45kg
degli
Telaio di fissaggio degli ingranaggi
Inizialmente si era pensato di racchiudere gli ingranaggi in
una scatola, ma, a causa delle dimensioni delle ruote, si è
optato per un telaio saldato in profilati di alluminio che
permette di contenerne il peso.
Telaio di fissaggio degli ingranaggi
Il telaio sarà fissato alla parete interna della
codasaranno
tramite collegamenti
filettati dove
Sul telaio
fissati i supporti
saranno alloggiate le boccole autolubrificanti
che supporteranno gli alberi degli ingranaggi.
Supporti per boccolaGli ingranaggi
lubrificati
saranno
periodicamente
Boccola
Analisi agli elementi finiti delle leve di comando
Per verificare le due leve di comando, anch’esse in acciaio 300M, si è
utilizzato un software agli elementi finiti, COSMOSworks, che ha dato
risultati positivi.
Nessun lopuntostudio
della leva
Per
dellaè
soggetto ad una flessionale
tensione pari èo
sollecitazione
maggiore
di
stata
adottataa unaquella
mesh di
snervamentodi 92995
(C.S.15)nodidel
simulazione
e
materiale,
nonostante i 16700N
57584
elementi
a cui è sottoposta, per cui
possiamo ritenere che le leve
siano
state
dimensionate
correttamente
Complessivo del comando
Complessivo del comando
Conclusioni
Grazie
per l’attenzione
Gli obiettivi posti inizialmente sono stati raggiunti

Si è ottenuto un modello cad della parte oggetto di
studio rispettando le dimensioni reali del velivolo
originale.

Il comando del piano di coda orizzontale è stato
definito in tutti i particolari per la realizzazione ed il
montaggio, compreso il percorso dei cavi

Il peso complessivo è intorno ai 12 kg