Diseño de Mecanismos Alerones de Aeronave 1 de Diciembre del 2014
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En el transcurso del semestre de otoño del 2014, cursamos la materia de diseño de mecanismos, de la cual aprendimos el análisis, síntesis y cálculo de mecanismos, capaces de hacer tareas específicas y previamente pensadas. Para este proyecto se diseñaron dos mecanismos de alerones, el delantero y el trasero del ala de una aeronave. El alerón delantero debe girar sobre su propio eje ocasionando mayor sustentación a el ala, al igual que reduciendo la velocidad de la aeronave. El alerón trasero de igual manera debe girar sobre su propio eje, y este tiene la función de darle maniobrabilidad al avión, y en el caso del aterrizaje este incrementa el área total del ala, lo que ocasiona mayor arrastre y mayor sustentación, algo que es necesario durante el aterrizaje. Primeramente se hizo un proyecto de ingeniería, en el cual se establecieron fechas de inicio y fechas de fin para cada proceso de la creación de estos mecanismos, posteriormente se diseñaron ambos mecanismos en dos dimensiones utilizando el paquete computarizado de MSC Software Corp. Llamado Working Model 2004 SP1 en su versión 7.0.0.0, proporcionado por la Universidad Iberoamericana de la Ciudad de México. Utilizando este mismo paquete computarizado, se simularon los grados de libertad de los mecanismos, al igual que se calcularon las medidas de las diadas, manivelas, y bielas de cada uno de los mecanismos, para tener el funcionamiento más preciso posible, y los más similar posible a los de una aeronave de tamaño completo. Siguiendo las especificaciones de cualquier aeronave, como última fase del proyecto construimos un ala de avión a escala, con una longitud total de 1.5 metros y una envergadura de 0.56 metros, y en la parte mas ancha tiene 4.7 centímetros en la que posteriormente se le agregaron los mecanismos previamente explicados. Se utilizaron servomotores para darle movimiento a ambos alerones, a los cuales se les programo los grados de libertad previamente calculados por el programa computarizado, y se construyeron las diadas y las manivelas de acrílico y acero de el tamaño que se calculo en el programa. Por ultimo se construyeron las costillas del ala de madera balsa, con la estructura base de aluminio.
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Objetivos.
Obtener un buen conocimiento sobre el funcionamiento de el ala de un avión, al igual que sus elementos mas fundamentales, y en que
afectan los alerones que utiliza. Diseñar dos mecanismos que simulen el funcionamiento de los
alerones de un avión convencional. Analizar los mecanismos, para hacerlos lo mas simples y exactos
posibles, pera la simulación de los alerones de un ala. Sintetizar los mecanismos, para obtener las medidas necesarias de
los mecanismos, y que tengan un funcionamiento optimo. Construir un modelo a escala del ala de una aeronave, la cual contenga en ella dos mecanismos que simulen a los alerones de aviones a tamaño normal.
La distribución de tiempo se compuso de tres fases: Planeación/Diseño: Durante 3 semanas entre el 24 de Septiembre y el 15 de Octubre nos dedicamos a proponer el mecanismo que utilizaríamos para el correcto funcionamiento de los alerones del ala de la aeronave. Para esto, recabamos información de libros de texto sobre diseño de aeronaves así como referencias en análisis y proyectos de mecanismos similares al cuál quisimos diseñar. De esta manera concluimos por un mecanismo que posteriormente fue sustituido. Análisis: Durante esta etapa de entre el 16 de Octubre y el 3 de Noviembre nos dedicamos a analizar por medio de interpretaciones cuantificables el correcto funcionamiento del mecanismo, por medio de la plataforma de Working Model, propusimos medidas que se adecuaban a las dimensiones de nuestra ala para proponer el mecanismo que finalmente se probó y efectivamente funcionó analíticamente. Construcción: En esta última etapa entre el 4 de Noviembre y el 25 de Noviembre nos dedicamos a construir el mecanismo y acoplarlo al ala durante sesiones de 6 horas a la semana en el taller de Diseño industrial. Sin quitarle importancia, entre el 25 de Noviembre y el 30 de Noviembre se escribió el presente reporte. 3 Alerones de Aeronave
Sept Sept / Oct Oct Oct Oct Oct / Nov Nov Nov Nov Nov
Distribución de Tiempos de ejecución de tareas Lune Marte Jueve Sabad Doming s s Miercoles s Viernes o o 24 25 26 27 28 29 6 13 20 27 3 10 17 24
30 7 14 21 28 4 11 18 25
1 8 15 22 29 5 12 19 26
2 9 16 23 30 6 13 20 27
3 10 17 24 31 7 14 21 28
4 11 18 25 1 8 15 22 29
5 12 19 26 2 9 16 23 30
Leyen da Planeación/Dise ño Análisis Construcción Reporte Diseño. Primeramente fue necesario investigar el funcionamiento de los alerones de una aeronave básica, tal como un Piper J3 Cub, el cual es una aeronave básica, pero que aun así requiere de estos alerones para poder emprender y finalizar un vuelo exitosamente. Una vez que comprendimos el funcionamiento de estos alerones, e investigamos los ángulos en los que operan normalmente, para que su funcionamiento útil, y no sea peligroso o ineficiente para el
sea Piper J3 Cub.
vuelo. Una vez se obtuvieron estos conocimientos, aprendimos porque había una restricción en los ángulos de uso de estos alerones, y el efecto que tenia en el vuelo, lo que nos inspiro a ser lo mas precisos posibles en cuanto a las limitantes de los ángulos, y a la forma en la que funcionan estos alerones.
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Posteriormente emprendimos en el diseño de nuestra ala, y comenzamos a darnos idea de las dimensiones de nuestros mecanismos. Nuestra ala es de puntas cuadradas, lo que a diferencia de las alas de puntas redondas como las del Piper es que generan un poco mas de sustentación, por lo que pueden ser mas cortas, y debido a la forma, hace que sean alas mas agiles, para el cambio brusco de velocidades del aire, con la pequeña desventaja, que debido a las esquinas de las puntas, estas generan turbulencia en las puntas, y esto lleva a un ligero aumento en el consumo de combustible. Una vez teniendo establecido el diseño, decidimos que mediría 1.5 metros de largo, 56 centímetros de ancho, y que las costillas tendrían 4.6 centímetros de grosor, para generar la mayor cantidad de sustentación posible.
Análisis. Utilizando el mismo paquete computarizado Working Model, se creo un boceto digital en dos dimensiones, el cual tiene el mismo numero de piezas que el mecanismo que se pretende usar en el ala, al igual que las mismas dimensiones conocidas para este mecanismo, tales como la longitud de el alerón delantero y trasero, al igual que la distancia a la cual se encontraría el servo motor de los alerones. Conociendo los limites angulares que tiene cada uno de los alerones, y las limitantes en cuanto a espacio que tendríamos dentro de el ala, se diseñaron mecanismos que cupieran en dicho espacio, 5 Alerones de Aeronave
pero que de igual manera fueran capaces de cumplir con los requerimientos necesarios para que esta ala sea capaz de emprender vuelo, si así fuese necesario. El alerón delantero, se encuentra en el filo frontal de el ala, y el trabajo principal de este es aumentar la anchura aparente de la parte superior de el ala, lo que provoca que el aire que pasa por ahí viaje mas rápido que el aire que pasa por debajo de el ala. Esto hace que la presión en la superficie superior sea mayor a la presión de el aire en la superficie inferior, generando sustentación. Otro de los trabajos muy importantes de este alerón, es que genere mas arrastre, el arrastre ocasiona que la aeronave pierda velocidad, todo esto con el propósito de aterrizar la aeronave. Al aumentar el arrastre, y aumentar la sustentación, le permite a el ala volar a velocidades menores, hasta llegar al momento en el que deja de volar, que es cuando la aeronave aterriza, y la manera mas profesional de hacer esto es por falta de sustentación a la hora de retraer el alerón delantero de el ala. Para el análisis de este alerón conocíamos que debía medir 4.5cm de largo, y que debía extenderse hasta 120 grados hacia afuera del ala, por lo que era necesario calcular el largo de la manivela y la diada. Para obtener el angulo que buscábamos utilizamos la herramienta “Rod”, la cual nos ayudo a medir las distancias requeridas para la manivela y la diada. La manivela tiene una longitud de 3.25cm mientras que la diada mide 2cm. Estas conectadas a un servomotor y al alerón le dan el movimiento, y el ángulo máximo que se requiere. El alerón trasero ocupa una superficie debajo de el ala, el trabajo principal de este es darle maniobrabilidad al avión, al ser capas de re direccionar el aire en diferentes ángulos, si es que se quiere una vuelta muy pronunciada, o muy tenue, este puede ser ajustado a el ángulo necesario. Al igual que el alerón delantero también tiene un propósito en el aterrizaje, este ayuda a disminuir la velocidad de el avión cuando los alerones traseros de ambos lados son extendidos. Este alerón también tiene un ángulo máximo al cual es seguro que opere, y su tope deben ser 45 grados. Se tenia el conocimiento de que la manivela del alerón trasero debe medir 26cm debido a la localización del servo motor, y que el tamaño total de el alerón es de 20cm, por lo que se calculo que para obtener un ángulo máximo 6 Alerones de Aeronave
de 45 se necesitaba una diada de 1.7cm para obtener un ángulo máximo de 4.257º. En este caso no se logro obtener un agulo de 45º exactos, debido a que seria muy difícil construir una diada de 1.687cm, debido a que no contábamos con maquinas precisas ni nada por el estilo.
En la parte superior se muestra un boceto de el alerón delantero retraído o a 0º.
En la parte superior se muestra un boceto de el alerón mientras se expande.
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En la parte superior se puede ver como el alerón llego a su máximo punto de apertura.
En la parte superior se muestra como el alerón se esta retrayendo.
De la misma manera observamos el mecanismo del alerón trasero en plano invertido
Construcción. 8 Alerones de Aeronave
Finalmente se hizo la construcción de el ala, se siguieron todas las especificaciones aprendidas previamente para la creación de las costillas, se siguió un modelo para la forma de estas, posteriormente se utilizaron varillas de aluminio para juntarlas todas y se pegaron con silicón y plastiloca, debido a que el silicón no era suficiente, y se veía débil el ala. Posteriormente se lijaron las orillas de el ala, para tener una superficie lisa y constante con el tamaño y las juntas de las costillas. Una vez terminada la forma de las costillas, y pegadas entre si se forro con un material plástico, el cual al ponerse en contacto con calor se estira, hasta dejar el ala de un color rojo brillante, y tener una superficie perfectamente lisa. Nosotros por nuestra parte le dimos un color amarillo a los alerones y a parte de el ala, para que esta pareciera mas moderna y tuviera colores mas exóticos.
Estructura del ala
terminada,
con una construcción madera balsa con
de aluminio.
Las imágenes superiores muestran las costillas echas de madera balsa y los soportes de aluminio, en los inicios de la construcción del ala.
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En la parte superior se puede observar el ala ya terminada, y se esta forrando utilizando el plástico rojo.
Aquí se
puede observar el ala ya terminada, con las perforaciones necesarias para el correcto funcionamiento de los mecanismos.
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