Diseño de MecanismosAlerones de Aeronave

1 de Diciembre del 2014

1Alerones de Aeronave

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.

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Distribución de Tiempos de ejecución de tareasLunes Martes Miercoles Jueves Viernes Sabado Domingo

Sept 24 25 26 27 28Sept / Oct 29 30 1 2 3 4 5Oct 6 7 8 9 10 11 12Oct 13 14 15 16 17 18 19Oct 20 21 22 23 24 25 26Oct / Nov 27 28 29 30 31 1 2Nov 3 4 5 6 7 8 9Nov 10 11 12 13 14 15 16Nov 17 18 19 20 21 22 23Nov 24 25 26 27 28 29 30

LeyendaPlaneación/DiseñoAnálisisConstrucciónReporte

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 sea

útil, y no sea peligroso o ineficiente para el

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.

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

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Piper J3 Cub.

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,

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.

5Alerones de Aeronave

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

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

6Alerones de Aeronave

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.

7Alerones de Aeronave

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. 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

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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 de madera balsa con aluminio.

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Las imágenes superiores muestran las costillas echas de madera balsa y los soportes de aluminio, en los inicios de la construcción del ala.

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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