Progettazione, simulazione e messa in opera di un banco prove per freni

Once an aeronautical brake system is designed, it must be certificated by tests, normed from aeronautical safety agencies, where its braking performances are verified on prototypes. To actuate some of these tests, a testing machine must be designed and integrated, able to provide to the aircraft wheel, an equivalent kinetic energy, that will be dissipated by the brake system under test. Its quantity simulates the energy dissipated by brakes under working conditions. Furthermore, the testing machine must be able to perform a static test to verify the stationary torque of the brake system. In the present work we propose some methods for the design, simulation and implementation of a test bench for dynamic test for aeronautic brakes. A synchronous belt transmission introduction with 1/3 ratio, allow to ten times reduce the inertias weight, mounting them on a faster shaft, but offering the same equivalent inertia to the brake system under test. All components needed to the the test bench construction are dimensioned, explicating their characteristics and mechanical resistance has been verified for the most critical components. The problem of energy dissipation has been faced, by the computation of a spin down model that defines the principal causes of dispersions: the belt idling losses, aerodynamic resistances acting on flywheels and bearing frictional losses. The model has been verified by a first spin down test of the machine, which has been confirmed the essentially proportional ratio between the belt idling power losses and the rotational shafts speeds, the prevalence of the aerodynamic resistant forces at high velocities and a good conservation of energy by the selected bearings. Finally, a multi-body model has been realized to evaluate the torsional vibration frequencies of the testing machine. Therefore, the model has been reproduced in the LMS AMESim® software. Analytically solving the equations of motion, the coherence of the AMESim® model has been verified. The frequency response function of the system has been computed in the analytical model, while in the software model some virtually critical response, as the step function have been analysed.

Una volta progettato un sistema frenante per uso aeronautico, la sua entrata nel mercato deve essere preceduta dallo sviluppo di prototipi, sui quali verificare le prestazioni di frenata attraverso delle prove normate, volte ad ottenere la certificazione del prodotto. In particolare, per l’esecuzione delle prove di certificazione, è necessario disporre di un macchinario in grado di fornire un valore di energia cinetica equivalente, che dovrà essere dissipato dal freno durante il suo esercizio di destinazione. Tale macchinario dovrà, inoltre, essere in grado di applicare un determinato valore di coppia sullo pneumatico della ruota per verificare la capacità di stazionamento del freno. Il presente lavoro ha lo scopo di analizzare dei metodi di progettazione, simulazione e messa in opera di un banco per prove dinamiche su freni per uso aeronautico. L’introduzione di una trasmissione a cinghia dentata con rapporto di 1/3 permette di montare inerzie circa dieci volte più leggere sull’albero veloce, offrendo al freno in prova la stessa quantità di inerzia equivalente. Sono stati dimensionati tutti i componenti del banco, esplicitando le loro caratteristiche e, laddove necessario, verificandone la resistenza meccanica. È stato affrontato il problema della dispersione di energia da parte del banco, attraverso la realizzazione di un modello di rallentamento che, in funzione della velocità di rotazione, definisce le principali cause di dissipazione: le perdite “al minimo” della cinghia, le resistenze aerodinamiche agenti sui volani e le perdite per attrito sui cuscinetti. Il modello è stato verificato con una prima prova di rallentamento, che ha confermato il rapporto di proporzionalità diretta tra la potenza minima dissipata dalla cinghia e le velocità di rotazione degli alberi, la prevalenza delle forze aerodinamiche alle alte velocità e una bassa dissipazione di energia da parte dei cuscinetti scelti. Infine, è stato realizzato un modello multi-body, per l’identificazione delle frequenze proprie di vibrazioni torsionali della macchina, riprodotto successivamente nel programma LMS AMESim®. Risolvendo analiticamente le equazioni di moto, è stata verificata la coerenza del modello realizzato con il software, grazie al quale è stata simulata la risposta del banco, quando una coppia che rappresenta l’azione del sistema frenante durante una prova dinamica, viene applicata alla ruotavia.