ProiectTehnologia Fabricaiei Aparatelor de Bord

Lazr SimonaGrupa 946Facultatea de Inginerie Aerospaial

Tema proiectului

S se proiecteze elementele principale ale unui mecanism de variometru, avnd n vedere datele standard i urmtoarele modificri, precum i eroarea maxim de 3% ntre indicaia apartului standard i indicaia aparatului modificat.

Date de proiectare standard viteza maxim de urcare sau de coborre a avionului Vv=300 m/s gradul de neuniformitate a scrii variometrului n=i0/in=3 diametrul carcasei aparatului (gabarit radial) =80 mm lungimea aparatului (gabarit axial) Lc=100 mm vscozitate aer la temperatura T0 0=17.55*10-12 Ns/mm2 temperatura aerului n carcasa etan T0=288.5 K constanta gazelor R=29.27 m/K modul de elasticitate longitudinal pentru oel E=180000 N/mm2 lungimea capilarelor lc=4060 mm diametrul capilarelor dc=0.2500.6 mm grosimea membranei h=0.080.5 mm

Date modificate

numr de capilare m=3 lungimea capilarelor lc=50 mm diametrul capilarelor dc=0.5 mm

Consideraii teoretice

Msurarea vitezei verticale. Viteza vertical este un parametru important pentru rezolvarea problemei de pilotoj, el ne d informaii asupra poziiei aeronavei n planul verical .Pentru msurarea vitezei verticale a aeronavelor se pot utiliza mai multe metode printre care amintim:1. Metoda barometric: se bazeaz pe legtura dintre presiunea static p i altitudine:

2.Metode indirecte: metoda derivrii altitudinii de zbor, metoda integrrii componentei verticale a acceleratiei.

Schema cinematic a variometrului1. ac indicator2. roata dinat3. sector dinat4. mecanism biel-manivel5. traductor manometric (capsul manometric)6. priz de presiune static7. tub capilar8. conduct de presiune9. carcasa etan a aparatului

Schema de principiu a variometrului1. capsula manometric2. termostat3. tub capilar4. mecanism de scar

Caracteristica principal a unui variometru este tubul capilar 7 care face legatura ntre priza de presiune static 6 i vasul termostatat realizat de carcasa etan a aparatului 9. Capsula manometric este legat direct de presiunea static prin conducta de presiune 8. Dac variometrul este ridicat cu viteza Vv , nalimea H crete, presiunea p scade, dar presiunea p1 din incinta termostatat 9 din cauza caderii pe capilarul 7 rmne mai mare decat p, p1>p. Deci, asupra membranei va aciona presiunea p=p1p >>0, care o va deforma. La coborare, p>p1, iar p va schimba semnul, astfel nct mecanismul se va deplasa n sens opus cazului de la urcare. n zbor orizontal p1=p ,deci p=0 . Rolul vasului termostatat este de a menine temperatura constant n interiorul aparatului pentru a nu se produce erori. Pentru a deduce caracteristica static a variometrului (funcia de transfer) se folosesc urmatoarele notaii: v-volumul carcasei; l i D- lungimea i diametrul capilarului; coeficientul de vscozitate a aerului;

p, si T sunt presiunea, greutatea specific i respectiv temperatura aerului din carcasa de volum v, de greutate G=v.

Viteza de variaie a greutii aerului din volumul v este egal cu cantitatea de aer care traverseaz orificiul capilarului n unitatea de timp, adic unde e greutatea specific a aerului din capilar. n acest caz, se poate scrie relaia :

Viteza V de curgere aerului prin capilar e dat de legea lui Hagen - Poiseuille :

Considernd v=constant se obine :

de unde aplicand ecuatia lui Clapeyron scris pentru aerul din carcas sub forma: se obine :

Dac se noteaz cu constanta de timp a vanometrului i cu p=p1-p , ecuaia devine :

iar funcia de transfer a variometrului are forma :

adica un element difereniator de gradul 1.

Cum intrarea p= p(H(t)) din aproximaia Laplace. Pentru Tmed.=const. difereniem presiunea static, obinnd:

Rezult:

unde Sv este coeficientul de amplificare sau sensibilitatea variometrului.Funcia de transfer a variometrului, definit ca raportul dintre mrimea de ieire, n cazul nostru variaia presiunii, i cea de intrare, viteza vertical, este : adic un element aperiodic cu constanta de timp .Caracteristica static a aparatului se obine dac se ia s =0.

Tinand cont de ecuaia gazelor perfecte aplicat aerului din capilar : ecuaia devine:

Facnd aproximaia pc p i tinnd cont c la etalonarea aparatului n condiii de laborator se poate aproxima Tc = T1 = Tmed = To , atunci caracteristica static a variometrului devine :

unde 0 este vscozitatea aerului la temperatura T0.

Semnalul de intrare este reprezentat de presiunea p ce intr n sestemul de capilare. Cderea de presiune p rezultat n urma acestui sistem va deforma membrana capsulei manometrice producnd un semnal w de translaie n biel ce se va transforma prin intermediul manivelei n semnal de rotaie , transmis la mecanismul selector dinat-pinion. n urma acestuia va rezulta un nou semnal , amplificat ce va fi modificat de culisa oscilant n urma creia se va produce deplasarea acului indicator cu semnalul de ieire .W0

Analiza cinematic a variometrului

IntrareRelaie de legaturIeire

Vvp

pW0

Proiectarea capsulei manometrice

Aparatele de msura cu elemente sensibile elastice se compun din 3 elemente sensibile de baz: Elementul sensibil Mecanismul multiplicator de transmisie Indicatoruln funcie de construcia lor exist mai multe tipuri de elemente sensibile cum ar fi: membrane, capsule gofrate, burdufe, tuburi manometrice, toate acestea putand fi aneroide si manometrice.Membranele sunt plci elastice de grosime mic, de form circular ncastrate la extremitate. Fiind fixate pe contur, sub aciunea presiunii aplicate pe o fa, dau deformaii vizibile i uor msurabile, astfel c se poate aprecia i caracterul variaiei presiunii. De aceea, au o utilizare foarte larg n construcia de aparate unde de altfel orice plac circular care se poate deforma elastic foarte mult lucrnd, fie la ncovoiere, fie la ntindere sau combinat, intrain noiunea de membran. Acestea servesc ca elemente elastice n aparatele de msurat, ndeosebi la aparatele manometrice de precizie (altimetre, manovacuumetre, vitezometre); fac posibil msurarea de presiuni de la civa milimetrii coloan de apa pn la sute de atmosfere. Se utilizeaz ca traductori de presiune n for sau eforturi mecanice, cnd de regul se cupleaza cu ali traductori, cum sunt cei piezoelectrici sau magnetoelastici. Membranele se mai folosesc i ca mijloace de separare ntre dou medii sau pentru asigurarea etanrii elastice.Clasificarea membranelor se poate face dup form n urmatoarele trei grupe principale: Membrane plane a cror suprafa este dreapt i pot fi fr centru rigid sau cu centru rigid Membrane gofrate a cror suprafa are un numar de grofreuri concentrice Membrane sferice a caror suprafa este curbat n form de calot sfericMembranele ondulate sau membranele gofrate sunt prevazute cu o serie de cute (gofreuri) concentrice. Membrana ncastrat n contur are n zona central o poriune rigidizat sau nerigidizat. Gofreurile mresc rigiditatea membranei astfel c la o anumit adancime H se pot obine chiar caracteristici liniare.Membranele ondulate au urmtoarele avantaje: sgei mai mari fr s apar deformaii remanente, deci posibilitatea de a msura presiuni mai mari, caracteristica mai apropiat cu cea liniar, deci suprafaa efectiv variaz mai puin; posibilitatea modificrii caracteristicii prin simpla variaie a nalimii gofrajului, ceea ce permite compensarea neliniaritilor parametrului care se msoar, adic redresarea scrii aparatului i constitiue un mijloc de a anihila influena neomogeneitilor, datorit execuiei membranelor; stabilitate mai mare a caracteristicii la aciunea deformaiilor. Principalul lor dezavantaj const n tehnologia de execuie mult mai dificil dect la membranele plane. Membranele gofrate au o ntrebuinare larg n sistemele automate, ca elemente de msurare, acionare i reglare. Membranele ondulate se pot ntrebuina simple, cand pot fi cu gofraj sinusoidal, circular, trapezoidal sau ascuit, sau sub form de cutii (membrane ondulate lipite pe contur) cnd poart numele de capsule. Se disting: capsulele manometrice, a crui mediu a carui presiune urmeaza sa se masoare se introduce n interior, deci de fapt se msoar diferena p-p0 ntre presiunea din interior p i presiunea din mediul exterior p0; capsule aneroide, la care n interior se realizeaz o rarefiere (pn la 0,3..0,1 mm HG), deci se masoar presiunea p0 din exterior; capsule umplute, al caror interior este plin cu gaz, vapori sau lichid i care servesc ca elemente sensibile la termomentre sau la termoregulatoare.Cu ajutorul capsulelor se realizeaz o sageat dubl fa de cea a membranei. O sageat i mai mare a centrului se obine utiliznd o baterie de capsule (mai multe capsule suprapuse).Proprietie de baz ale capsulelor. Flexiunea maxim i caracteristica elasticitii sunt parametrii principali care determin calitatea capsulelor gofrate. Caracteristica membranei este curba care exprim deplasarea centrului membranei n funcie de presiunea care acioneaz asupra ei .

Pentru a obine aparate cu scala uniform se cauta confecionarea capsulelor din membrane cu o caracteristica ct mai aproape de forma liniar. Caracteristicile mersului nainte i napoi ale membranei aprute la creterea respectiv scderea presiunii nu corespund ntre ele. Diferena dintre flexiunile i care rezult la aceeai presiune se numete histerezis. Pentru obinerea unui histerezis minim este indicat s se lucreze cu flexiune mare care ns s nu depeasc valoarea la care membrana capt deformaii remantente permanente.Materiale ntrebuinate n realizarea membranelor. Acestea trebuie s aib urmtoarele caracteristici: o suficient alungire relativ, o suficient limit de rezisten la rupere, proprieti mecanice omogene, o structur omogen, rezisten la coroziune, proprieti bune pentru sudur sau pentru lipire, un coeficient de temperatur ct mai mic al modulului de elasticitate, o plasticitate bun. n raport cu metoda de prelucrare, materialele utilizate pentru realizarea membranelor pot fi mprite n dou categorii: Prima categorie: bronz fosforos, bronz cu staniu, alam, alpaca (aliaj de nichel, cupru i zinc) i otel inoxidabil membranele realizate din aceste materiale se caracterizeaza printr-o mare rezisten la rupere, o alungire mare i au o caracteristic constant i un histerezis mic A doua grup : materiale ale caror ciclu complet de prelucrare se termin dup gofrarea acestora: bronz cu beriliu, oel pot fi ntrebuinate la realizarea membranelor destinate ncrcturilor mari. Elinvar compoziie : carbon, nichel, crom- are proprieti mecanice superioare Procesul tehnologic de realizare a capsulelorOperaia de semifabricare materialul utilizat intr n procesul de fabricaie sub forma de benzi cu o grosime de 0.31.5 mm i late de aproximativ un metru.1. Laminarea are ca scop att ecruisarea materialului pentru a obine proprietile mecanice necesare i o structur omogen, obinerea grosimii necesare a materialului. Laminarea se efectueaz ntre cilindrii de precizie care sunt realizai din oel aliat superior i prevzui cu guri pentru rcirea lor cu ap. Laminarea se efectueaz n cteva treceri, numrul acestora depinznd de gradul necesar de subiere a materialului.2. Tratamentul termic const n recoacerea n cuptoare electrice cu reglarea automat a temperaturii cu o precizie a inclzirii suficient de mare 5C. Durata recoacerii se stabilete n raport cu temperatura aleas pentru recoacere i n funcie de grosimea fiilor. Pentru bronz fosforos 590 C, alam 500C i alpaca 630 C. 3. Stanarea discurilor se efectueaz la prese excentrice. La proiectarea matrielor de tanat pentru realizarea semifabricatelor de membrane, trebuie asigurat poziionarea precis a poansonului fa de matri.4. Gofrarea pot fi aplicare trei metode de gofrare: la strunguri de presat, la prese hidraulice i n matrie.5. Asamblarea membranelor n capsul se poate realiza att prin lipire ct i prin sudur. Lipirea const n dou operaiuni cositorirea marginilor membranei i lipirea propriu-zis. n comparaie cu lipirea, sudura asigur o calitate superioar a capsulelor gofrate. Prin sudur, se realizaeaz de asemenea mbinarea materialelor care se lipesc greu : oel inoxidabil, elinvar, oeluri cu coninut mic de carbon. Puterea i tensiunea curentului de sudur, depind de rezistena electric a membranei i de grosimea acesteia.6. Stabilizarea la realizarea capsulelor gofrate, n materialul membranelor apar tensiuni locale din cauza ecruisrii, recoacerii, sudurii i restul proceselor tehnologice. Toate aceste efecte schimb caracteristica flexiunii i valorile deformaiilor elastice. De asemenea, dup lipirea capsulelor acestea sunt supuse stabilizrii. Aceast operaiune const ntr-o oscilaie mecanic mic, continu a capsulei timp de cteva ore. 7. Verificarea funcionrii capsulei i trasarea caracteristicii ei.

1. Tuburi capilare

Considerm mai nti cazul standard unde m=1 i dc=0.5 mm i lc=50 mm iar pentru cazul modificat cu m=3 vom varia dimensiunile (diametrul i lungimea capilarelor) astfel nct eroarea s fie mai mic de 3 %. Folosim formula:

Am obinut o valoare maxim a lui p=0.0102 N/mm2 pentru cazul standard, iar pentru cazul modificat cu m=3 p=0.0340 N/mm2. Calculnd eroarea se obine adic o eroare foarte mare. n continuare voi modifica diametrul i lungimea capilarelor.

p standard p modificat 1 p modificat 2 p modificat 3

0000

0.00070.00020.00060.0007

0.00140.00050.00110.0013

0.00200.00070.00170.0020

0.00270.00090.00220.0027

0.00340.00110.00280.0033

0.00410.00140.00330.0040

0.00480.00160.00390.0047

0.00550.00180.00440.0053

0.00610.00200.00500.0060

0.00680.00230.00550.0067

0.00750.00250.00610.0073

0.00820.00270.00670.0080

0.00890.00300.00720.0087

0.00950.00320.00780.0093

0.01020.00340.00830.0100

Prin modificarea diametrului de la 0.5 mm la 0.4 mm se obine o eroare mai mic, dar departe de cea dorit.

O a treia ncercare am realizat-o prin modificarea lungimii capilarelor aadar am considerat lc=60 mm i dc=0.4 mmn acest caz eroarea este una mai mic de 3%.

Se poate observa c o dat cu creterea diametrului capilarelor cderea de presiune crete proporional cu acesta, la valori ale diametrului de 0.25 mm ajungnd pn la 0.0655 N/mm2. Totdat i creterea lungimii capilarelor este direct proproional cu creterea cderii de presiune, ns aceasta nu are o cretere att de rapid precum la modificarea diametrului.

2. Capsula manometric

Problema principal legat de calcului membranei ondulate este determinarea caracteristicii pentru o anumit form a gofreurilor. Metoda de calcul folosit cosnt n nlocuirea membranei ondulate cu o membr plan. Influena gofrajului este luat n seama prin introducerea unui coeficiant de anizotropie la ntindere i ncovoiere pe direcia radial i direcia circumferenial. Elementul de membran ondulat se va nlocui deci cu un element plan de aceeasi grosime h dar cu proprieti anizotrope. Se determin coeficienii de anizotropie din condiia de egalitate a rigiditii la ncovoiere i ntindere a elementului plan i ondulat. Se introduc coeficienii de anizotropie k1 i k2 supraunitari.

unde 0 reprezint unghiul descris de gofraje i are valoarea 30. Ecuaia caracteristic membranei ondulate este:

unde si - coeficientul lui Poisson, =0.3H=4 profilul gofreurilorm i n sunt dependeni de coeficienii de anizotropie si n=k2k3E=180 000 N/mm2 modulul de elasticitate Younginem cont i de coeficienii de corecie care se determin prin interpolare liniar 1=1.18 i 1=1.735Astfel ecuaia caracteristic membranei ondulate devine:

Am proiectat un variometru standard avnd membrana cu gofraje sinusoidale i un alt variometru avand acelai tip de membran confecionate ambele din oel avnd E=180000 Mpa. Se urmarete ca eroarea s nu difere cu mai mult de 3 %.

Vom calcula i caracteristica de variaie a presiunii cu sgeata membranei. Pentru aceasta se iau n considerare parametrii: grosimea membranei h=0.6 mm, profilul gofreurilor 4, nlimea gofreurilor i raza de ncastrare a membranei. Raza membranei nu trebuie s depeasc 36 mm deoarece nu poate intra n aparat. De asemenea, se ine sema i de faptul c un variometru standard are deformarea total iar valorile pentru calculele de dimensionare a capsulei manometrice se vor alege astfel nct deformarea total s respecte valoarea standard.

Am facut pi verificarea pentru sgeata total a capsulei. Pentru cazul standard valoarea maxim a acesteia este 0.0206 mm < 2 mm, iar pentru cazul modificat, valoarea este de 0.0203 mm< 2 mm.

Se observ din grafic faptul c sageata membranei crete odat cu creterea lui , i anume cu ct avem o diferen de presiuni mai mare membrana va avea o deplasare mai mare. Aceast deplasare este mrimea care va fi preluat de ctre mecanismul biel manivel i va fi amplificat pentru a fi afiat.Pentru a se obine un raport mai mic de 3 % ntre aparatul standard i cel modificat, a trebuit s mresc diametrul capilarului dc=0.56 mm pentru a obine astfel o valoare < 3% ntre valoarea sgeii aparatului standard i cea a aparatului modificat. Eroarea astfel obtinut este:

W0 standardW0 modificatWc standardWc modificat

0000

0.00070.00070.00140.0014

0.00140.00140.00280.0027

0.00210.00200.00410.0041

0.00280.00270.00550.0054

0.00340.00340.00690.0068

0.00410.00410.00830.0081

0.00480.00470.00970.0095

0.00550.00540.01100.0108

0.00620.00610.01240.0122

0.00690.00680.01380.0135

0.00760.00740.01520.0149

0.00830.00810.01660.0162

0.00900.00880.01790.0176

0.00970.00950.01930.0189

0.01030.01010.02070.0203

Avnd n vedere c caracteristica membranei reueste s obin la ieire o deplasare w0 raportul de transmisie al roii dintate standard modificat

00

0,00770,0074

0,01550,0149

0,02320,0223

0,03100,0298

0,03870,0327

0,04650,0447

0,05420,0521

0,06190,0596

0,06970,067

0,07740,0745

0,08520,0819

0,09290,0893

0,10070,0968

0,10840,1042

0,11310,1117

4. Mecanismul cu roi dinate

Mecanismul amplificator cu roi dinate preia semnalul de ieire de la mecanismul biela-manivela si il amplifica in scopul vizualizarii lui.

Se alege numrul de dini: Z2 =17 si Z1=136=> raportul de transmisie al roii dintate standard modificat

00

0,06190,0569

0,12390,1787

0,24780,2382

0,30970,2978

0,37170,3574

0,43360,4169

0,49550,4765

0,55750,5360

0,61940,5956

0,68140,6552

0,74330,7147

0,80530,7743

0,86720,8338

0,90910,8934

5. Culisa oscilant

Mecanismul culis oscilant apare dac aparatul trebuie s aib o scar atenuat.

standard modificat

00

0,03100,0298

0,06190,0596

0,09290,0893

0,12390,1191

0,15490,1489

0,18580,1787

0,21680,2085

0,24780,2382

0,27870,2680

0,30970,2978

0,34070,3276

0,37170,3574

0,40260,3872

0,43360,4169

0,45460,4467

Date generale vscozitate aer la temperatura T0 0=17.55*10-12 Ns/mm2 constanta gazelor R=29.27 m/K temperatura aerului n carcasa etan T0=288.5 K viteza maxim de urcare sau de coborre a avionului Vv=300 m/s

Carcas termostat volumul de aer din carcas mm3 diametrul carcasei aparatului (gabarit radial) =80 mm lungimea aparatului (gabarit axial) Lc=100 mm

Sistemul de capilare numr de capilare m=3 lungimea capilarelor lc=60 mm diametrul capilarelor dc=0.56 mm

Membrana gofrat grosimea membranei h=0.3 mm nalimea gofreurilor membranei H=0.5mm modul de elasticitate longitudinal pentru oel E=180000 N/mm2 deplasarea centrului membranei ntr-un sens w0