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Facultad de Ingeniería
Trabajo de Investigación
“Diseño del tren de aterrizaje para un
avión no tripulado con motor eléctrico”
Autores: Castro Castro Jason Gregorio Manuel-1413174
Tello Sandoval Joel Brayam-1412626
Para obtener el grado de Bachiller en:
Ingeniería Aeronáutica
Lima, julio 2019
ii
DEDICATORIA
A nuestros padres por el soporte y guía
durante el proceso de formación
profesional.
iii
AGRADECIMIENTO
A nuestros familiares, amigos que nos
brindaron su apoyo y a los docentes,
asesores que nos inculcaron
conocimientos durante toda la etapa
académica.
iv
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se diseña un tren de aterrizaje para un avión no
tripulado con motor eléctrico, se dividió en cuatro capítulos: antecedentes de la
investigación, basado en tesis y artículos científicos de autores internacionales, el marco
teórico, el método de solución; en la que se utilizan las ecuaciones y fórmulas obtenidas
de textos especializados, además, se hace uso de los softwares ANSYS , CATIA y
Autodesk inventor para el diseño y corroboración de resultados obtenidos, por último, el
análisis de los resultados y discusión, en este capítulo se presentan los resultados
obtenidos previamente: cargas estáticas y dinámicas, dimensionamiento, ubicación de los
trenes de aterrizaje y otros . Con los valores obtenidos se ha diseñado un tren de aterrizaje
para un avión no tripulado con motor eléctrico, de tipo triciclo y con un mecanismo retráctil.
Posterior a ello se realizó la simulación mediante software y se procedió a elaborar los
planos a detalle del sistema completo.
En síntesis, los valores obtenidos en los cálculos realizados se encuentran dentro de los
parámetros estándar correspondientes a un sistema de trenes de aterrizaje para aeronaves
no tripuladas, los cuales satisfacen la necesidad de la aeronave.
v
ÍNDICE
DEDICATORIA .................................................................................................................. ii
AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... iii
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. xi
CAPÍTULO 1: ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN .............................................. 1
CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO..................................................................................... 6
2.1 Reseña histórica .......................................................................................... 6
2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje .............................................. 7
2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje ....................................................... 7
2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje ................................................... 8
2.3.1.1 Tren Fijo ...................................................................................................... 8
2.3.1.2 Tren Retráctil ............................................................................................... 8
2.3.2 Según el tipo de tren .................................................................................... 9
2.3.2.1 Tren Biciclo .................................................................................................. 9
2.3.2.2 Tren Triciclo ................................................................................................10
2.3.2.3 Tren Multiciclo ............................................................................................10
2.3.2.4 Tren Convencional......................................................................................11
2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje ................................................11
2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L) ..................................12
2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1) ..............................13
2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F) ..................................13
2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) .........................................13
2.4.5 Altura del tren de aterrizaje (J) ....................................................................14
vi
2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje .................................................14
2.4.6.1 Cargas verticales ........................................................................................15
2.4.6.2 Cargas laterales .........................................................................................16
2.4.6.3 Cargas longitudinales drag .........................................................................16
2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje ...............................................16
2.5 Materiales empleados v en los trenes de aterrizaje ....................................19
2.5.1 Materiales compuestos ...............................................................................19
2.5.1.1 Fibra de vidrio .............................................................................................19
2.5.1.2 Fibra de carbono ........................................................................................20
2.5.2 Materiales metálicos ...................................................................................21
2.5.2.1 Aluminio ......................................................................................................21
2.5.2.2 Titanio.........................................................................................................22
2.5.2.3 Aceros ........................................................................................................22
2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje ....................................22
2.6. Softwares de diseño y análisis ....................................................................27
2.6.1 Autodesk inventor .......................................................................................27
2.6.2 CATIA .......................................................................................................28
2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje .................................................................29
2.6.3.1 ANSYS .......................................................................................................29
2.7 Diseño ........................................................................................................30
2.7.1 Diseño conceptual ......................................................................................30
2.7.2 Diseño preliminar ........................................................................................31
2.7.3 Diseño detallado .........................................................................................31
vii
CAPITULO 3: MÉTODO DE SOLUCIÓN .........................................................................32
3.1 Diseño del tren de aterrizaje .......................................................................32
3.1.1 Diseño Conceptual .....................................................................................32
3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje ...........................................33
3.1.1.2 Especificaciones .........................................................................................34
3.1.1.3 Configuración .............................................................................................34
3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje .................................................................35
3.1.2 Diseño Preliminar .......................................................................................37
3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje .....................................................37
3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz .....................................37
3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal .......................................41
3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base) ................................41
3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) .........................................41
3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje .........................................................................42
3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje ................................43
3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales .......................................................................44
3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales .........................................................................45
3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje..............................................45
3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje ...........................................46
3.1.2.5 Diseño estructural 3D .................................................................................50
3.1.2.6 Selección de material .................................................................................57
3.1.2.7 Simulación ..................................................................................................57
3.1.3 Diseño Detallado ........................................................................................59
viii
CAPITULO 4:ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................60
4.1 Ubicación del tren de aterrizaje ..................................................................60
4.2 Cargas en el tren de aterrizaje ....................................................................60
4.3 Softwares para el diseño y simulación del tren de aterrizaje .......................61
CONCLUSIONES ............................................................................................................62
RECOMENDACIONES ....................................................................................................64
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................65
ANEXO 1
ix
NOMENCLATURA
Aceleración de la gravedad- 𝑔 (m/s2)
Centro de gravedad - 𝑐. 𝑔.
Computational fluid dinamics- CFD
Computer aided tridimensional interactive application -CATIA
Cuerda media aerodinámica -𝐶𝐴𝑀
Carga dinámica máxima en tren de nariz- 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 (N)
Carga estática máxima tren nariz- 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁
Carga estática máxima tren principal -𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃
Diseño asistido por ordenador- 𝐶𝐴𝐷
Dinámica de fluidos computacional -CFD
Diámetro externo- 𝑑𝑒 (m)
Diámetro interno -𝑑𝑖 (m)
Energía cinética- 𝐸𝐶 (J)
Energía potencial- 𝐸𝑃 (J)
Energía total -𝐸𝑇 (J)
x
Factor de carga tren nariz- F.C.TN
Factor de seguridad de la columna del tren de aterrizaje de nariz- F.S.C- TN
Federal aviation administration- FAA
Federal aviation regulation -FAR
Product lifecycle management- PLM
Longitud desde aterrizaje principal al tren de nariz -𝐹 (m)
Longitud vertical desde la pista hasta el centro de gravedad- 𝐽 (m)
Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje de nariz- 𝐿 (m)
Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el del tren de aterrizaje principal -𝑀1 (m)
Módulo de elasticidad- 𝐸 (Pa)
Maximum takeoff weight- MTOW (N)
Media distancia entre los trenes principales − YOT (m)
Peso máximo de despegue -WT (N)
Unmanned aerial vehicle - UAV
Vehículo aéreo no tripulado – VANT
Swanson Analysis Systems- ANSYS
xi
INTRODUCCIÓN
El inminente crecimiento de los vehículos aéreos no tripulados en la industria aeronáutica
ha generado el desarrollo de estos vehículos cada vez más sofisticados, implementados
con tecnología de vanguardia, con fines civiles y militares, sea para el uso como: vigilancia,
rescate, topografía, fotogrametría, agricultura de precisión o fines bélicos. Cabe precisar
que el proceso evolutivo de estas aeronaves es incesante hasta la actualidad.
Asimismo, el desarrollo de trenes de aterrizaje o sistema de trenes de aterrizaje no ha sido
ajeno a este crecimiento, desde el primer vuelo implementado con este sistema en el año
1906. Por otro lado, el diseño de este elemento se desarrolla en tres fases: diseño
conceptual, diseño preliminar y diseño detallado.
Esta investigación tiene por objeto, diseñar un tren de aterrizaje para un avión no tripulado
con motor eléctrico, basado en la rigidez y peso, el cual sirva para ser implementado en un
vehículo aéreo no tripulado (UAV) ya existente. Brindando una propuesta de solución al
daño estructural al que son expuestos aquellos UAV’s que no cuentan con el sistema de
trenes de aterrizaje, en las principales operaciones del ciclo de vuelo (carreteo, despegue
y aterrizaje).
xii
A continuación, se detalla el objetivo general y los respectivos objetivos específicos.
Objetivo general:
• Diseñar el tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico.
Objetivos específicos:
• Determinar la ubicación y dimensionamiento del tren de aterrizaje de un avión no
tripulado con motor eléctrico.
• Calcular la magnitud de las cargas que actúan en el tren de aterrizaje de un avión no
tripulado con motor eléctrico.
• Elaborar los planos de ensamble del tren de aterrizaje de un avión no tripulado con
motor eléctrico.
• Simular con un software especializado el funcionamiento del tren de aterrizaje de un
avión no tripulado con motor eléctrico
Para el desarrollo de los objetivos, se dispone de fuentes de información, tales como,
artículos científicos, libros y tesis, siendo en su mayoría en idioma inglés. El alcance de la
investigación está orientada a diseñar un tren de aterrizaje para un UAV con motor eléctrico
que carece de este sistema. Concerniente a los límites de la investigación se menciona la
indisponibilidad de información de investigadores nacionales relacionados al tema (diseño
de trenes de aterrizaje para un UAV), en vista de ser un tema poco tratado, razón por el
cual se acudió a fuentes extranjeras.
1
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
La aviación es uno de los medios de transporte más seguro en el mundo, ante esto el uso
de aeronaves se ha incrementado para este medio. Ello demanda que la industria
aeronáutica tenga más énfasis en la planificación, el diseño y la fabricación de aviones con
estándares de seguridad cada vez más altos, implementado en los diversos sistemas que
lo componen, dentro de los cuales uno de los elementos fundamentales es el tren de
aterrizaje [1], cuyo mecanismo debe estar basado en la alta confiabilidad. Puesto que, los
trenes de aterrizaje son los encargados de atenuar y absorber la energía cinética de
impacto de aterrizaje, disipar vibraciones, otorgar control, estabilidad y dirección a la
aeronave durante las maniobras en tierra. Además, tienen la capacidad de hacer frente a
las cargas de aterrizaje y transmitir estas fuerzas a la estructura [2] y [3]. Cabe recalcar
que la magnitud de las fuerzas está supeditada al tipo de avión y a la misión asignada. Por
otro lado, la velocidad vertical, las presiones sobre el revestimiento, el peso total de la
aeronave, la distribución sobre las ruedas principales y nariz o cola, según su
configuración, entre otros; son factores que influyen en la amortiguación del impacto y debe
ser tal que la estructura de la aeronave no esté expuesta a fuerzas excesivas. El objetivo
de la amortiguación del sistema del tren de aterrizaje es reducir la velocidad vertical del
avión a cero, de tal modo que la fuerza de reacción de la superficie (pista de aterrizaje) no
2
exceda de un cierto valor crítico, ello servirá para mantener la integridad estructural dentro
de márgenes de seguridad [2] y [4]. La magnitud de las fuerzas de reacción depende de
las condiciones en el que la pista de aterrizaje se encuentre como: asfalto dañado, húmedo,
inundado o con lodo, también del tipo de superficie del que esté compuesta (césped, hielo
o tierra).
Por otro lado, el diseño de un tren de aterrizaje se ha convertido en uno de los aspectos
más trascendentales concerniente a la fabricación de una aeronave, ya que está
relacionado con diversos criterios significativos tales como: estructura, peso, superficie de
operación, aspectos financieros y otros [5]. Cabe recalcar que, al momento de realizar el
diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas:
verticales, longitudinales y laterales [6]. Asimismo, el diseño y desarrollo de este sistema
involucra diversas áreas de la ingeniería tales como: ingeniería de materiales, diseño
mecánico, cálculo estructural, estabilidad, control y otras.
La complejidad del tren de aterrizaje está sujeto al tipo de aeronave al cual será
implementado, de acuerdo con las capacidades y funciones por realizar [5]. También, a la
configuración y articulación que este tenga al ser instalado en la aeronave. Dicho de otro
modo, el sistema será complejo, si las capacidades operativas del avión demandan de un
alto esfuerzo estructural, lo cual conlleva que el sistema de trenes tenga mayor cantidad
de componentes en su configuración. Asimismo, depende de la disposición que se
implemente el sistema de trenes de aterrizaje en la aeronave, puede ser tren triciclo,
convencional, tren retráctil, tren fijo u otra configuración. Es preciso señalar que la
posibilidad de fallas de un sistema se incrementa de acuerdo a la cantidad de componentes
que posea.
Para el caso de los vehículos aéreos no tripulados (VANT) o Unmanned Aerial Vehicle
(UAV), existe un factor restrictivo importante en el diseño del sistema de trenes de
aterrizaje, debido a las dimensiones, las cuales son reducidas en los componentes del
sistema en mención, por ende, la dificultad en el proceso de diseño y fabricación se
3
incrementa. Sin embargo, tiene ciertas ventajas que la mayoría de los vehículos aéreos no
posee, siendo la más importante; el menor peso, en consecuencia, el tren de aterrizaje
estará sometido a pequeñas cargas. Por esta razón, es posible implementar un sistema
simple, con menos elementos y sin repercutir de forma negativa en su desempeño.
Para el diseño de un sistema de trenes de aterrizaje, se definen los parámetros iniciales y
de acuerdo con ello se realiza y toma decisiones. Por otro lado, el tren de aterrizaje es el
último sistema de gran importancia en el avión en ser diseñado ya que se debe ajustar a
los demás componentes principales previamente diseñados y ensamblados tales como:
alas, fuselaje, empenaje y motores [1]. Esta forma de diseño no varía para el caso de los
UAV, ya que sigue el mismo proceso que una aeronave convencional. Este proceso consta
de tres fases: diseño conceptual, diseño preliminar y diseño detallado, los cuales se definen
a continuación:
• Diseño conceptual, tiene como objetivo la selección de un concepto viable y debe ser
optimizado lo más posible. Para este caso se debe escoger un tren de aterrizaje
adecuado, considerando los parámetros que debe cumplir: adaptabilidad, bajo peso,
absorción de energía, baja resistencia aerodinámica, estabilidad, distancia al suelo, etc.
También, seleccionar la configuración del tren de aterrizaje, ya que existen diversos
tipos: tren biciclo, triciclo, multiciclo, patín de cola (convencional), tándem, y otros;
donde cada una de estas cumpla con las características mencionadas anteriormente
[3].
• Diseño preliminar, en este proceso se calcula y analiza todos los fenómenos físicos que
existan en el tren de aterrizaje de la aeronave, se selecciona el material, se definen las
dimensiones y las funciones del diseño. Haciendo que cumplan correctamente sus
funciones de acuerdo con los parámetros establecidos en la primera parte del diseño.
No se pueden efectuar cambios importantes en esta fase que afecte lo establecido en
la primera fase (diseño conceptual) [7]. Vale decir, que, al hacer un cambio en esta fase
4
demandaría una modificación general del diseño y resultaría en vano lo realizado en la
fase conceptual.
Durante esta fase se hace uso de softwares de modelado y simulación, los cuales
contribuyen y facilitan la toma de decisiones en cuanto a las características del sistema
diseñado (tren de aterrizaje) como: material, peso y dimensiones que se utilizará en la
composición estructural del sistema de trenes de aterrizaje. Uno de los softwares más
utilizados para el proceso de modelado y simulación es ANSYS, un software especializado
de la industria aeroespacial y automotriz de uso sencillo e intuitivo; se hace uso de esta
herramienta tecnológica una vez definidas las dimensiones y forma del tren de aterrizaje y
posteriormente se hace la simulación, con la finalidad de conocer las cualidades
estructurales del sistema en mención, esta simulación se puede realizar haciendo uso del
mismo software, ya que cuenta con la herramienta de simulación o en todo caso se puede
utilizar otros programas informáticos con características similares tales como: SolidWorks,
AutoCAD, Solid Edge, Unigraphis, Autodesk inventor, Abaqus, Patran Nastran ,CATIA y
otros [8] y [9].
Asimismo, otro software avanzado para el cálculo y análisis de diseño y manufactura de
elementos mecánicos es Unigraphics NX3, este permite al usuario el diseño de geometrías
complejas como perfiles aerodinámicos. También cuenta con una gran variedad de
herramientas especiales para el modelado más rápido de diseños superficiales y sólidos.
Se destaca porque cuenta con dibujo de planos de construcción, descriptivos, simulación
de manufactura, análisis de movimiento y estructural entre otros [6]. Este software es muy
importante para los estudiantes de ingeniería que pretendan ingresar al mundo del diseño
y manufactura.
• Diseño detallado, es la última etapa, en el cual, de acuerdo con las fases anteriores, se
tiene un plano a detalle de lo que se diseñó y también se ultiman detalles del tren de
aterrizaje tales como procesos de producción y estimación de costos y tiempo.
5
Habitualmente en esta fase de diseño se construye un prototipo para realizar los
ensayos necesarios y corroborar todos los cálculos realizados [7].
Al finalizar estas tres fases de diseño e inicie el proceso de fabricación del prototipo del
tren de aterrizaje puede existir ciertos problemas, ya que el tren de aterrizaje en diseño
computarizado difiere en ciertos aspectos al realizar la manufactura, dicho de otra manera,
lo diseñado haciendo uso de un software no es lo mismo al momento de la manufactura.
Estos problemas pueden solucionarse siempre y cuando no cambie significativamente el
diseño, una vez solucionadas las observaciones, se obtiene el prototipo final.
Por otro lado, la configuración de un tren de aterrizaje tipo triciclo cuenta con ventajas y
desventajas. Las principales ventajas son: permitir al UAV frenar rápidamente sin que la
nariz se acerque demasiado al suelo, fácil maniobrabilidad, eventualmente el peso
distribuido del UAV incrementa la estabilidad y seguridad. Mientras que sus desventajas
son: se incrementa considerablemente el arrastre, el peso del UAV incrementa ligeramente,
el tren de nariz esta propenso a tener daños estructurales debido a la fuerza al que es
inducido [10].
6
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Reseña histórica
Los trenes de aterrizaje aparecieron poco después del primer vuelo realizado por los
hermanos Wrigth en 1903, siendo la aeronave “No 14-bis” de Santos-Dumont la primera
que contaba con el sistema de tren de aterrizaje el cual utilizaba ruedas tipo bicicleta
encargadas de la absorción de las fuerzas de impacto y realizaba las respectivas
operaciones en tierra (1906); los modelos siguientes fueron muy parecidos a la aeronave
mencionada [11].
El tipo de tren más usado en ese entonces fue el tren triciclo, sin embargo, ante la
necesidad de generar la mayor potencia se optó por otra configuración; tren convencional
o de cola, el cual permitía el uso de hélices o palas de grandes dimensiones en la planta
motriz con ello se incrementó la potencia y por lo tanto las aeronaves alcanzaban grandes
velocidades [9]. En la primera guerra mundial se empleó el sistema de trenes de cola
(convencional), siendo fuertemente unidos al fuselaje y contaban con cierto ángulo de
inclinación para la absorción de fuerzas de impacto, las aeronaves que utilizaron este
sistema son: Sopwith Camel, SPAD VII y SE5 (aviones de combate) [11].
7
Asimismo, tras el desarrollo de motores que generen mayor potencia utilizando hélices
cortas, se volvió a hacer uso del tren triciclo, siendo esta la más utilizada hasta la
actualidad.
2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje
El sistema de tren de aterrizaje es la estructura que tiene por finalidad soportar, absorber
y disipar las cargas totales generadas por una aeronave en operaciones en tierra, tiene
como funciones principales:
▪ Mantener la aeronave estable en el suelo durante la carga, descarga y rodaje.
▪ Permitir maniobrar libremente a la aeronave.
▪ Absorber el choque durante la operación de aterrizaje.
▪ Facilitar el despegue del avión, permitiendo la aceleración y la rotación con la menor
fricción.
En términos de diseño, el sistema de trenes de aterrizaje es el último componente
fundamental en ser diseñado. Vale decir, que los componentes tales como: ala, fuselaje,
empenaje y el sistema de propulsión deben ser diseñados con cierta anterioridad, teniendo
en cuenta datos de todos estos componentes como: peso, material, dimensiones, etc. Se
puede iniciar con el proceso de diseño [12]. Posteriormente, para ubicar la posición del tren
de aterrizaje, es relevante tener como datos: el centro de presiones, centro de gravedad,
las variaciones del centro de gravedad (en caso de las aeronaves que utilizan combustible
como energía para la propulsión), los cuales son fundamentales para hallar dicha posición.
2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje
Con relación a este tema, existen diversas formas de clasificación: según el mecanismo,
tipo de tren, amortiguación y otros.
8
2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje
Según el mecanismo, el sistema de trenes de aterrizaje se divide en dos grandes grupos:
trenes de aterrizaje fijos y retráctiles.
2.3.1.1 Tren Fijo
Sistema de trenes fijos, generalmente son utilizados en aeronaves pequeñas por las
dimensiones reducidas que estas poseen, son unidos al fuselaje o las alas. Por otro lado,
este tipo de tren implica un considerable incremento de resistencia parásita, ya que la
estructura del tren está expuesta y en contacto con el flujo de aire. Para contrarrestar o
reducir el arrastre producido, se implementan carenados o Wheel pants, revestimiento en
los cuales se albergan o cubre al tren de aterrizaje, estas superficies poseen cierta forma
aerodinámica en consecuencia disminuye la resistencia parásita [9] y [5] .
Figura 1: Trenes fijos de UAV. [3]
2.3.1.2 Tren Retráctil
Este tipo de mecanismo es el más empleado en las aeronaves comerciales y las que tienen
gran autonomía de vuelo, debido que al retraerse en el fuselaje disminuyen
considerablemente la resistencia parásita existente en toda la aeronave. Las desventajas
de este tipo de tren aterrizaje es que son pesados, tienen muchas piezas y por ende el
mantenimiento es costoso [2] .
9
Figura 2: Tren retráctil de UAV. [3]
2.3.2 Según el tipo de tren
La clasificación por este parámetro es amplia, dentro de los más importantes se mencionan
los siguientes:
2.3.2.1 Tren Biciclo
Tren de aterrizaje biciclo, posee dos trenes principales ubicados en el eje longitudinal de la
aeronave, uno tras el otro, delante del centro de gravedad (c.g.) y detrás de este. Asimismo,
tiene dos trenes auxiliares en las alas para estabilizar el avión. En cuanto a la distancia
entre trenes con respecto al c.g. difieren mínimamente, en consecuencia, los trenes
soportan cargas similares [1] y [3] .
Figura 3: Tren biciclo. [13]
10
2.3.2.2 Tren Triciclo
La configuración triciclo es una de las más utilizadas, consta de dos trenes principales
situado detrás del c.g. y un tren auxiliar o tren de nariz en la parte delantera el cual tiene
como función direccionar la aeronave en maniobras pre-vuelo y post-vuelo o en pista
propiamente dicho. En relación con la carga el tren principal soporta el 80-90 % y el tren
de nariz 10-20 %. Cabe recalcar que la altura de ambos trenes es la misma, sin embargo,
los neumáticos de los trenes principales son de mayor diámetro, a medida que el número
de ruedas se incrementa, el área frontal de la rueda disminuye, por lo tanto, mejora el
rendimiento de la aeronave en operaciones de despegue [1].
Figura 4: Tren triciclo [14].
2.3.2.3 Tren Multiciclo
Tren multiciclo, tiene como característica poseer múltiples neumáticos en los trenes, con la
finalidad de mejorar la seguridad en el despegue e incrementar la estabilidad en tierra.
Generalmente, este tipo de trenes se usa en aeronaves con grandes capacidades [3].
Figura 5: Tren multiciclo [14].
11
2.3.2.4 Tren Convencional
Configuración convencional o patín de cola (tailwheel) fue una de las más usadas en los
primeros años de la industria aeronáutica, consta de dos trenes principales ubicados
delante del centro de gravedad (c.g.) y un tren pequeño en la parte posterior de la aeronave,
esta última tiene por objeto dar direccionamiento a la aeronave en tierra. Por otro lado, la
carga se reparte en un porcentaje de 80-90 % para los trenes principales y 10-20 % al tren
de cola [1] y [9] .
Figura 6: Tren de aterrizaje convencional (patín de cola) [14].
2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje
En el tema de cálculos relacionado a las dimensiones y distancias de ubicación de los
trenes de aterrizaje, se desarrolla los siguientes ítems (2.4.1), (2.4.2), (2.4.3), (2.4.4) y
(2.4.5), considerados como los más importantes para el caso de los aviones no tripulados
(VANT o UAV), para los puntos mencionados se hace uso de las ecuaciones mostradas a
continuación [1] y [11]:
Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)
Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.85∗ 𝑊𝑇
2 (4)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)
𝐹 (5)
12
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048
𝑚
𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇
(9.81 𝑚
𝑆2)∗𝐹 (6)
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹 (7)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
𝟐∗𝐹 (8)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
𝟐∗𝐹 (9)
𝐹 =𝑀1
1−0.8∗𝑊𝑇 ∗2
𝑊𝑇 ∗2
=𝑀1
0.2 (10)
𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)
𝐹. 𝐶𝑇𝑁 =𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 (12)
Siendo:
• 𝑊𝑇 : masa total de despegue.
• CEMTP: carga estática máxima en el tren principal.
• CEMTN: carga estática máxima en el tren de nariz.
• CDMTP: carga dinámica máxima en el tren principal.
• CDmTP: carga dinámica mínima en el tren principal.
• F: longitud horizontal del tren de nariz hasta el tren principal.
• M1: distancia del centro de gravedad al tren de aterrizaje principal.
• J: longitud vertical (altura) desde el suelo al centro de gravedad de la aeronave
• F.CTN: factor de carga del tren de aterrizaje
2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L)
La longitud horizontal del centro de gravedad hasta el punto de contacto del tren de
aterrizaje de nariz (L), es uno de los aspectos fundamentales en relación con la distribución
de cargas y estabilidad de una aeronave, por ende, la ubicación del tren de nariz debe estar
13
ubicado lo más alejado posible del centro de gravedad (c.g.) para minimizar la carga a la
que va a estar expuesta y maximizar la estabilidad [1] .
2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1)
Para la distancia horizontal desde el centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje principal
(M1), la posición del tren debe estar ubicado entre un 50 % (0.5) y 55% (0.55) de la cuerda
aerodinámica media (CAM), en caso de los UAV el centro de gravedad oscila entre el 7 a
27 % de la CAM, es decir antes del 50 %, por ende, para el cálculo se considera el 55 %
(0.55) de la CAM de esta manera la posición del tren principal está alejado del c.g. y por
ende soporta mayor carga [1].
2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F)
Para el cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el tren de nariz, se
usa las ecuaciones (4) y (7), este parámetro es fundamental en la estabilidad de la
aeronave y debe haber una proporción adecuada en la distancia que haya entre ambos
trenes de aterrizaje [1].
2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)
La distancia horizontal Wheel track, es un parámetro que brinda estabilidad en las tareas
de operación en tierra, ya que la distancia debe ser la suficiente para que no cause la
volcadura de la aeronave. Como primer término, se determina la fuerza centrípeta Fc, que
actúa en la aeronave durante los giros en tierra, para ello se debe conocer la masa de la
aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro (R) [14].
𝐹𝐶 = 𝑚𝑉2
𝑅 (13)
Una vez obtenido el valor de Fc, se puede conocer la distancia media de los trenes de
aterrizaje o wheel track. Asimismo, para determinar este dato se precisa de la altura del
centro de gravedad respecto al suelo (J) y la masa (m) [14].
14
𝑌𝑜𝑡 =𝑭𝒄∗𝑱
𝒎.𝒈 (14)
Figura 7: Giros en tierra y que factores contribuyen: vista de planta (a) y vista alzada (b) [14].
2.4.5 Altura del tren de aterrizaje (J)
La altura del tren está definida entre la distancia del suelo con la parte más baja del fuselaje
o hélice, teniendo en cuenta el factor de seguridad [14]. Está altura también es diferente
debido a la configuración del tren de tren de aterrizaje y la misión de la aeronave.
𝐽 =𝑴𝟏
𝑻𝒈 (𝜽°) (15)
2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje
El tren de aterrizaje es el sistema que soporta el peso total de la aeronave cuando realiza
maniobras en tierra, así como el momento del aterrizaje, que es la situación en el cual está
sometido a cargas máximas. El tren de aterrizaje soporta cargas dinámicas y estáticas. Las
cargas dinámicas son las que varían su magnitud en el tiempo, un ejemplo de este tipo de
carga es en el momento del aterrizaje del avión, desde que hace el primer contacto con el
suelo. Mientras que las cargas estáticas son las que permanecen iguales, por ejemplo, en
el momento del parqueo de una aeronave. Se realizan cálculos de carga a las que estará
sometido, para encontrar la carga máxima de energía cinética disipada por la
15
amortiguación y finalmente determinar las cargas que la estructura del tren debe soportar:
cargas verticales, laterales y longitudinales [2].
2.4.6.1 Cargas verticales
Las cargas verticales están supeditados a la razón de descenso o velocidad vertical,
además de la rugosidad de las superficies durante operaciones en tierra (taxeo, carrera).
El proceso de cálculo se determina con las ecuaciones siguientes [2]:
𝑉𝑑 = 4.4 (𝑾
𝑺)
𝟏/𝟒
(16)
𝐸𝑇 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈(𝜼𝒕 ∗ 𝑺𝒕 ∗ 𝒏𝒔 ∗ 𝑺𝒔) (17)
𝐶𝑉𝑇𝑃 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈 (18)
Donde:
• Vd, velocidad de descenso
• W, peso total de la aeronave (UAV)
• S, superficie alar
• ET, energía cinética máxima absorbida por el tren principal
• nS , numero de struts del tren principal
• Pm, carga estática máxima del tren principal por strut
• Ng, factor de carga del tren de aterrizaje
• η t, coeficiente de absorción de energía de la llanta
• St, deflexión máxima permisible de la rueda
• s, coeficiente de absorción del amortiguador
• Ss, carrera del amortiguador
• CVTP, carga vertical del tren principal
16
2.4.6.2 Cargas laterales
Este tipo de cargas son causados durante un aterrizaje defectuoso, viento cruzado en taxeo
y giros en pista. La ecuación para el cálculo es [2]:
𝐶. 𝐿 =𝑊
2∗ 1.33 (19)
Donde:
• C.L, carga lateral
• W, peso total de la aeronave (UAV)
2.4.6.3 Cargas longitudinales drag
Las cargas longitudinales son causadas principalmente por cargas de spin-up, cargas de
frenado y fricción. Este tipo de cargas, se calculan con las ecuaciones que se muestran a
continuación [2].
𝐹𝐶𝐿 =𝑽𝒅𝟐
𝟔𝟒.𝟒∗(𝑺𝜼𝒕) (20)
𝐶. 𝐿 = (𝐹𝑃𝐿 − 0.667) ∗ 𝑊 (21)
𝐶𝐿𝐷 = 0.25 ∗ 𝑃𝐿 (22)
Donde:
• FCL, factor de carga limite
• CL, Carga limite
• CLD, carga longitudinal drag
• Snt, producto, del coeficiente absorción de energía de la llanta y la deflexión permisible
de la rueda más el coeficiente de absorción del amortiguador en carrera
2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje
Para una configuración de tren de aterrizaje retráctil, se requiere de un compartimiento
para la retracción, se debe tener en cuenta el lugar donde irán ubicados; ala, fuselaje,
17
nacela (compartimiento del motor), ala-fuselaje. Al tener el tren retraído en una posición
inadecuada, podría repercutir de manera negativa a la performance de la aeronave y por
ende el diseño en sí, también podría incrementar el peso considerablemente, reducir el
almacenamiento del tanque de combustible (sea del fuselaje o de las alas) y crear
resistencia aerodinámica adicional [13].
Las posiciones de compartimientos más comunes tanto para aviones militares como civiles
son las siguientes:
• En el ala
Si el espesor del ala es suficiente para que ambas ruedas puedan entrar retraídas ahí, esto
debe ser previsto en la primera fase del diseño, ya que si el espesor del ala no es lo
suficientemente ancha este puede crear un orificio en el fuselaje al momento de que se
ponga en funcionamiento la retracción del tren de aterrizaje [15].
• En el fuselaje
Este es el más común para un tren de aterrizaje de grandes dimensiones ya que el fuselaje
proporciona el espacio suficiente. En caso el fuselaje no sea del tamaño requerido para los
trenes, se mantiene una parte de los trenes de aterrizaje fuera, envuelta por un carenado
como una protuberancia, tal es el caso de los antonov an-225. Para los aviones de combate
con alas muy delgadas el tren de aterrizaje se retrae todo dentro del fuselaje [15].
• En o bajo el ala y nacela
En aeronaves de ala alta, motores de turbopropulsión que cuentan con un gran espacio
en la nacela de los motores, por lo cual pueden retraer dentro de las cavidades provistas
para los trenes, ejemplos de este tipo de superficie para retracción lo tienen las aeronaves
Fokker 27, Antonov An-32 [15].
Una vez el tren de aterrizaje se encuentre extendido, se bloquea mediante un mecanismo
para que no ocurra un colapso inadvertido [15].
18
En la siguiente figura se muestran las posiciones de retracción del tren principal.
Figura 8: Tipos de compartimientos de tren de aterrizaje [13]
En la siguiente figura se muestra el tipo de cinemática de recorrido que pueden tener los
trenes principales para retraerse. [11]
Figura 9: Cinemática de desplazamiento de tren de aterrizaje [11].
19
2.5 Materiales empleados en los trenes de aterrizaje
El uso de materiales en el sistema trenes de aterrizaje, son diversos y están supeditados
al tipo de aeronave a la que son implementados (avión comercial, aviones de carga,
militares, aviones no tripulados), el tipo de pista, el ambiente de uso, entre otros factores.
Por otro lado, el uso de materiales metálicos y compuestos lidera en la manufactura del
sistema de trenes de aterrizaje en la industria aeronáutica.
2.5.1 Materiales compuestos
Los materiales compuestos son un sistema estructural resultado de la composición de dos
a más materiales que se genera a partir de la unión química a escala macroscópica, cuyo
comportamiento mecánico y propiedades son mejores en comparación a los que tienen
individualmente. La característica principal de los materiales compuestos son el bajo peso
y alta resistencia, esto es un factor importante y es un aporte significativo para la
distribución de cargas en el fuselaje, ya que haciendo uso de estos materiales se puede
direccionar la distribución de cargas [16] y [17].
Es importante precisar, que los materiales compuestos tienen como base dos elementos:
fibra y matriz, la combinación adecuada de estos componentes, da origen a materiales con
mejores propiedades. Además, de la fibra y la matriz existen aditivos que dotan de
propiedades especiales para fortalecer estos materiales. Por otro lado, en lo que concierne
a los materiales compuestos la fibra es el componente que aporta resistencia mecánica,
rigidez, dureza y resulta determinante para obtener las propiedades mecánicas más
importantes. Se mencionan tipos de fibra: vidrio, carbono, aramida, cerámicas, etc. A
continuación, se presentan los más importantes [18].
2.5.1.1 Fibra de vidrio
La fibra de vidrio es uno de los materiales más utilizados como refuerzos de matrices
plásticos, de esta manera formar compuestos estructurados. Materiales reforzados con
esta fibra, adquieren propiedades muy superiores y favorables, como: resistencia a la
20
corrosión, a altas y bajas temperaturas de calor y frio respectivamente, buena relación
resistencia/ peso, buena estabilidad y propiedades aislantes eléctricas. Existen dos clases
importantes de fibra de vidrio: eléctricos (E) y de alta resistencia (S); las fibras de vidrio E,
son las más usadas en la fabricación de fibras continuas. Asimismo, el vidrio E no
modificado tiene una resistencia de tracción de 3.44 GPa y un módulo de elasticidad de
72.3 GPa.
Por su parte, la fibra S tiene una relación de resistencia-peso más alta y por ende su
producción es más costosa. Esta fibra tiene una amplia aplicación en el ámbito militar,
aeronáutico y aeroespacial. Teniendo una resistencia la tracción superior a los 4.48 GPa y
un módulo de elasticidad de 85.4 GPa. [17]
Por otro lado, las propiedades; resistencia y modulo elástico de la fibra de vidrio están
determinados en principio por la estructura tridimensional de los óxidos que la constituyen.
Es preciso señalar que el factor importante que determina la resistencia a la rotura del vidrio
es el deterioro que experimentan las fibras cuando hay fricción entre sí [17].
2.5.1.2 Fibra de carbono
La fibra de carbono es una de las más populares en la industria automotriz y aeronáutica.
Este elemento compuesto ofrece mayor adaptabilidad a geometrías complejas y es
compatible con gran parte de resinas, además, es un material que ofrece un gran aumento
de resistencia añadiendo un mínimo peso [3].
Por otro lado, las fibras de carbono son refuerzos empleados en la fabricación de materiales
compuestos con altas propiedades mecánicas. La obtención de esta fibra se realiza
mediante un proceso de descomposición térmica de: Rayon, PAN y Picht, el más utilizado
el Poliacrilinotrilo (PAN). Entre las propiedades más resaltantes figuran: resistencia
específica alta, inercia frente a la humedad, buena resistencia a disolventes orgánicos y
modulo específico alto. Asimismo, el carbono es un material excepcional para estructuras
21
sometidas a cargas de fatiga, debido a que sus propiedades mecánicas son apenas
sensibles a la aplicación de cargas cíclicas [18].
2.5.2 Materiales metálicos
El metal es el material más usado en los trenes de aterrizaje, debido a su gran resistencia,
peso y costo accesible. Los metales más usados para la construcción del sistema de tren
de aterrizaje son el aluminio, aleaciones de acero y duraluminio [11].
2.5.2.1 Aluminio
El aluminio más usado para la fabricación de trenes de aterrizaje es el 7075-T73 debido a
que es considerado inmune a la corrosión y posee gran resistencia a la tensión. Otro
aluminio usado es el 7075-T6, este tiene una resistencia entre un 12-15% mayor a la
tensión [11].
En la tabla Nº1, se muestra las propiedades importantes del aluminio 7175-T736, material
caracterizado por su alta resistencia a la corrosión y tensión, adecuado para el uso en el
sistema de trenes que está sometido a condiciones severas de tensión y ambientes
corrosivos.
Tabla 1: Propiedades de aluminio 7175-T736 [11].
Aluminio 7175-T736
Propiedades Unidades
Módulo de elasticidad 72 GPa
Coeficiente de Poisson 0.33
Elongación de ruptura 12%
Resistencia última a la tracción 550 MPa
Resistencia de fatiga 160 MPa
22
Fuerza de fractura 31 MPa-m½
2.5.2.2 Titanio
La aleación de titanio más usada en los trenes de aterrizaje es el Ti-61-6V-2Sn que puede
ser usada donde existan tubos o agujeros para que soporte tipos de fuerza de rigidez o
pandeo, es decir, cuando cualquiera de estas dos fuerzas sea muy grande. A este material
se le puede agregar un grosor de revestimiento, sin que aumente el peso y este no requiere
de protección para que no se deteriore [11].
Tabla 2: Tabla de propiedades mecánicas del aluminio Ti-61-6V-2Sn [11].
Titanio: Ti-61-6V-2Sn
Propiedades Unidades
Módulo de elasticidad 110.3 GPa
Coeficiente de Poisson 0.32
Elongación de ruptura 14%
Resistencia última a la tracción 1050 MPa
Resistencia de fatiga 140 MPa
Fuerza de fractura 60 MPa-m½
2.5.2.3 Aceros
Los aceros más usados para los trenes de aterrizaje son los 4130, 4340, 4330V y 300M.
Este último tipo de acero es comúnmente usado para la construcción de las abrazaderas,
los pistones que se encuentran dentro del eje del tren de fuselaje, debido a su alta
resistencia a la fatiga, excelente ductilidad [11].
2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje
Los resortes, son piezas elaboradas de material elástico, con configuraciones específicas
para brindar un intervalo de fuerza durante una deflexión considerable y/o almacenar
23
energía potencial. Los resortes se diseñan con el objeto de dar empuje, fuerza de giro
(torque) y principalmente almacenar energía. Se pueden realizar con alambre redondo o
rectangular doblándolos adecuadamente como una bobina o con material plano cargado
como una viga. En referencia a la clasificación de resortes, existen diversas formas, como:
resorte helicoidal de compresión, helicoidal de tensión, helicoidal de torsión y otros. En
resortes planos es algo endémico que sean vigas en voladizo o apoyadas. Asimismo, hay
resortes de arandela con estilos variados (curvos, Belleville, de dedo, ondulados). A
continuación, se hace un breve análisis de las configuraciones y diseño de los principales
tipos de resorte [19].
• Resorte helicoidal de compresión. Esta configuración proporciona fuerza de empuje y
poseen una gran capacidad de deflexión. La forma estándar cuenta con una espiral de
diámetro constante, paso o distancia axial entre las espiras constante, y constante de
resorte fija. Por otro lado, es la configuración de resorte más común y disponible
comercialmente, gran parte de estos se fabrican con alambre redondo y alambre
rectangular. Las espiras con razones de resorte pequeñas se cierran primero,
incrementado así la constante de resorte efectiva cuando tienen contacto entre sí.
• Resortes cónicos. Son elaborados con una constante de resorte fija o creciente,
generalmente su constante de resorte no es lineal, lo cual se incrementa con la
deflexión, se debe a que las espiras con menor diámetro brindan mayor resistencia a
la deflexión y las espiras más grandes de flexionan primero. Al variar el paso de la
espira, se puede obtener una constante de resorte aproximadamente constante. Es
relevante mencionar que, la principal ventaja es cerrarse a una altura muy pequeña
como el diámetro de alambre, siempre en cuando espirales se comprimen. Las formas
de barril y de reloj de arena se emplean para cambiar la frecuencia natural del resorte
de forma estándar.
• Resorte helicoidal de tensión con gancho en los extremos. Este tipo de resorte
proporciona una fuerza para jalar y cuenta con una gran capacidad de deflexión. El
24
gancho es el elemento quien soporta mayor esfuerzo en comparación con las espiras,
en consecuencia, falla primero. En caso de un objeto suspendido del gancho, caerá
cuando el resorte se rompa.
• Resorte de arandelas. Resortes que ofrecen fuerza de empuje y comúnmente
empleados para cargar algo axialmente. Suelen tener deflexiones mínimas, con
excepción de la arandela Belleville, sólo pueden suministrar cargas ligeras.
• Resortes de viga. Las vigas en voladizo o soportadas son las más comunes. Los
resortes de viga pueden tener ancho constante o forma trapezoidal. La constante de
resorte y la distribución de esfuerzos suelen ser controlados con cambios en el ancho
de la viga o en la profundidad a lo largo de su longitud. En cuanto a cargas pueden ser
altas, pero las deflexiones son finitas [19].
Por otro lado, en resortes de compresión, se suelen utilizar cuatro tipos de extremos: plano,
plano/esmerilado, a escuadra/cerrado, y a escuadra/esmerilado. Un resorte con extremos
planos cuenta con un helicoide continuo, es decir extremos iguales, como si a un resorte
largo se hubiera hecho cortes en secciones, por su parte, los resortes con extremos planos
a escuadra o cerrado se consigue a partir de una deformación a cero grados del ángulo de
la hélice. Para aplicaciones, relevantes, los resortes a escuadra y esmerilados son los más
adecuados, debido a que se obtiene mayor trasferencia de carga [20].
En las figuras siguientes, se muestran los tipos de extremos y tipos de resortes explicados.
Figura 10: Tipos de extremos de resortes [20].
25
Figura 11: Configuraciones de resorte [19].
26
En cuanto a los materiales y aleaciones usados en la elaboración de resortes existen en
gran variedad, sin embargo, hay un número limitado de materiales adecuados para su
fabricación. Los materiales deben poseer ciertas propiedades, entre ellos: alta resistencia
última, alto punto de fluencia y bajo módulo de elasticidad, para un almacenamiento
máximo de energía. Por otro lado, entre los materiales más usados para fabricar resortes
figuran: aceros al carbono, aceros de aleación y aceros resistentes a la corrosión, además,
bronce fosforado, latón, cobre al berilio y aleaciones de níquel [19] y [20].
Gran parte de los resortes que son sometidos a trabajo liviano son fabricados con alambre
redondo o rectangular formado en frio. Por su parte, los resortes sometidos a cargas
pesadas se fabrican fijándolos o rolándolos en caliente. En general, los materiales usados
para elaborar resortes son endurecidos con el objeto de obtener la resistencia requerida
[19].
A continuación, se presentan materiales al alto carbono y de aleación [20], asimismo se
muestra una tabla con información para el desarrollo de cálculo de dimensiones de resortes
de compresión.
• Alambre de piano 0.80-0.95C. Se conoce por especificaciones similares como: UNS
G10850, AISI 1085 y ASTM A228-51, es el material más empleado para fabricar
resortes pequeños, el más tenaz y posee mayor resistencia a la tensión y soporta
mayores esfuerzos antes cargas cíclicas o repetidas. Disponible en diámetros de 0.12
a 3 mm.
• Alambre templado en aceite 0.60-0.70C. Denominado también como: UNS G10650,
AISI 1065 y ASTM 229-41, acero de uso general y empleado en diversos tipos de
resortes de espiras. No es adecuado para el uso ante cargas de impacto. Se puede
disponer en diámetros de 3 a 12 mm.
• Cromo vanadio. Conocido como: UNS G61500, AISI 6150, ASTM 231-41. Esta es
aleación más popular para fabricar resortes en condiciones que implican esfuerzos
grandes y en usos que demanden resistencia a cargas cambiantes en el tiempo (fatiga)
27
y alta durabilidad. Además, sirven para cargas de impacto. Disponible en 0.8 a 12 mm
de diámetro en recocido o prerrevenido.
• Cromo silicio. UNS G92540, AISI 9254, es un material idóneo para uso en resortes
sometidos a cargas de impacto que demanden de larga vida y esfuerzos elevados, son
disponibles en diámetros de 0.8 a 12 mm.
Tabla 3: Fórmulas de dimensionamiento de resortes [20].
Tipo de extremos de resortes
Término Plano
Plano y
esmerilado
A escuadra y
cerrado
A escuadra
y esmerilado
Espiras de extremo, Ne 0 1 2 2
Espiras totales, Nt Na Na + 1 Na + 2 Na + 3
longitud libre, Lo pNa + d p (Na + 1) pNa + 3d pNa + 2d
Longitud sólida, Ls d (Nt + 1) dNt d (Na + 1) dNt
Paso, p Lo - d/ Na Lo/ Na + 1 Lo - 3d /Na Lo -2d /Na
Espiras activas, Na
2.6. Softwares de diseño y análisis
En relación con el uso de softwares para diseño y posterior análisis estructural y simulación,
la elección debe ser determinado tomando en cuenta que el software elegido debe
satisfacer las necesidades que demanda la realización del diseño y de esta manera
coadyuvar la obtención de los objetivos propuestos.
2.6.1 Autodesk inventor
28
Autodesk Inventor, desarrollado por la empresa Autodesk tiene su primera versión en el
año de 1999, teniendo como competencia a SolidWorks, CATIA y Solid Edge. Este
programa es uno de los más usados para diseño, ya que este software CAD (Diseño
asistido por computadora) permite tener gran precisión. Posterior a ello se pueden elaborar
los planos detallados, ya sea de un solo componente o de todo el mecanismo. La ventaja
de usar este software es que tiene una gran variedad de herramientas para el diseño.
Además, este software destaca porque tiene una interfaz intuitiva, cosa que otros softwares
de diseño no tienen y resultan ser complejos para el aprendizaje, otra de las razones por
las cuales destaca este software es que muchos diseñadores publican sus trabajos en
Internet, de este modo los estudiantes o aficionados pueden aprovechar para adaptar
diseños ya existentes a uno que se adecue a sus necesidades. Asimismo, en este
programa se puede hacer la simulación de cargas estáticas existentes en cierta parte del
sistema que se está realizando con este software [8].
2.6.2 CATIA
CATIA, software desarrollado por Dassault Systemes, compañía fundado en 1981 año en
el cual realizan la primera versión de CATIA V1 con la finalidad de crear productos
tridimensionales, por ingenieros de Dassault Aviation para la industria aeronáutica. Tras el
lanzamiento público de esta herramienta en 1984, logró su rápido posicionamiento como
líder en diseño aeroespacial, en mismo año la transnacional Boeing Company inicia el uso
de este software.
En 1999 se produce el lanzamiento de CATIA V5, el cual surge como herramienta renovada
orientada a la industria basada en el PLM (Product Lifecycle Management), un año después
la Airbus Company firma un acuerdo para la integración del software a la compañía.
A lo largo de la historia CATIA se ha definido como una herramienta de diseño intuitiva,
sencilla y con capacidades para el diseño de superficies complejas.
29
Por otro lado, CATIA es una herramienta informática cuyas siglas representan Computer
Aided Three Dimensional Interactive Application que en términos de la lengua española se
interpreta como la aplicación tridimensional interactiva asistida por computadora,
inicialmente el propósito fue constituirse como el software de diseño en la industria
aeronáutica. Sin embargo, ante la eficiencia su uso se expandió al sector aeroespacial,
automotriz, naval, defensa y otros [9].
2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje
Para la simulación del sistema del tren de aterrizaje se hará uso del software ANSYS,Inc
el cual permite desarrollar simulaciones de CDF (Dinámica de fluidos Computacional)
gracias a esta herramienta informática se puede efectuar las pruebas de aerodinámica y
esfuerzos para tener una referencia con gran semejanza a como se comportaría el tren de
aterrizaje cuando esté construido e interactúe con la aeronave y cumpla sus misiones
respectivas .
2.6.3.1 ANSYS
La empresa ANSYS (Swanson analysis system), Inc. Se fundó en el año de 1970, teniendo
su primera versión a finales de ese mismo año, esta empresa comercializa y presta soporte
al software de simulación para predecir la reacción y función un elemento o producto en el
entorno real. Cabe recalcar que una de las etapas en el cual podría haber más fallos es en
el mallado, ya que de acuerdo al método puede fallar en un punto, lo cual afecta la
convergencia del sistema.
Por otro lado, ANSYS es un software de simulación enfocado en la ingeniería y funciona
bajo la teoría de los elementos finitos para estructuras y volúmenes finitos para los fluidos.
En 1979, la versión 3.0, ANSYS se logra usar n una minicomputadora, posteriormente en
los años 1980-1984, deciden desarrollar el código ANSYS para procesadores que operan
punto flotante, asimismo, se presenta la versión 4.1 del programa compatible con modelos
CAD. En 1992 se adquiere FOLTRAN, por medio de la compra de COMPLUFO, 6 años
30
después (1998), se presenta ANSYS/Ed, a la comunidad educativa, además, en el 2005
se da un gran avance en la búsqueda de un programa de análisis multifásica dado por la
adquisición de Century Dynamics y en el año 2006, adquiere FLUENT [9].
2.7 Diseño
El diseño de una aeronave y sus diversos sistemas, es un proceso iterativo que implica
análisis, síntesis y evaluación. Asimismo, es una disciplina que se fundamenta en una serie
de áreas cardinales de la ingeniería, tales como: aerodinámica, estructuras, propulsión,
estabilidad y control [13].
Para el diseño del tren de aterrizaje del trabajo de investigación es necesario precisar las
etapas empleadas en el diseño.
2.7.1 Diseño conceptual
Etapa de decisión que tiene por objeto la selección de un concepto viable y optimizado en
lo posible. Se precisa cómo se desea realizar el trabajo y se define la apariencia del sistema
de trenes de aterrizaje para el UAV, teniendo en cuenta que el diseño sea factible y cumpla
parámetros requeridos y considerando las características de la aeronave tales como:
posición de ala sea; baja, alta o media, posición del estabilizador horizontal, timón de
profundidad, sea convencional ubicado en el empenaje (timón en la parte posterior del
avión) o canard (timón en la parte delantera del avión), y otros. Se define la configuración
del tren de aterrizaje, que pueden ser del tipo biciclo, triciclo, multiciclo, convencional o
patín de cola, tándem u otra configuración que se considere adecuado, también, las
especificaciones que la aeronave posea; cantidad de ruedas del tren de aterrizaje,
disposición de los trenes en el fuselaje (estructura principal de una aeronave o cuerpo)
,configuración de la amortiguación y otros , además se define el mecanismo del sistema de
trenes (tren fijo, retráctil, semirretráctil) [11] y [3] .
31
En síntesis, en esta etapa se establece un diseño general, sin entrar a detalle de las piezas
que lo compongan ni materiales. El objeto de esta etapa es definir cómo será, como
funcionará, que sea viable la manufactura y tenga buen funcionamiento.
2.7.2 Diseño preliminar
En esta segunda etapa de diseño se empieza con los cálculos del dimensionamiento y
ubicación del tren de aterrizaje. Seguidamente se procede con los cálculos de carga
respectivos para obtener las fuerzas, tanto dinámicas como estáticas a las que el tren
estará sometido. Luego se hace la selección de materiales del tren. Por otro lado, el diseño
preliminar es la etapa en la cual se realizan todos los cálculos y análisis necesarios para
que el sistema de trenes de aterrizaje funcione de manera óptima. Se realizan los cálculos
de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, cálculo sobre las cargas que
debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se hace un detalle de todas
las piezas necesarias para que se pueda realizar la manufactura del diseño. Asimismo, se
realiza el diseño de piezas en 3D haciendo uso de softwares computacionales, se define
el aspecto físico, se asigna los materiales y posteriormente se realiza la simulación. Los
softwares preferentemente utilizados son: Autodesk inventor, SolidWorks, CATIA V5 y
ANSYS, herramientas informáticas que se considera adecuados para realizar el diseño y
simulación [13].
2.7.3 Diseño detallado
Tercera y última etapa de diseño, se realizan los planos a detalle de las piezas que
componen el sistema de trenes de aterrizaje. Asimismo, se cuenta con un diseño final en
bosquejo y seguidamente se hace un prototipo donde se realizarán pruebas no destructivas
y finalmente se implementa en la aeronave. Por otro lado, en esta etapa de diseño se hace
una selección detallada de todos los componentes necesarios para la manufactura del
sistema del tren de aterrizaje, elementos como: tornillos, tuercas, lubricante, rodamiento;
asimismo, se elaboran planos detallados del sistema para la realización de la manufactura,
32
se determina la respectiva estimación de tiempo de construcción del sistema de trenes y
se hace la estimación del costo total [11].
CAPITULO 3
MÉTODO DE SOLUCIÓN
3.1 Diseño del tren de aterrizaje
3.1.1 Diseño Conceptual
33
De acuerdo a lo expuesto en el capítulo anterior, el diseño conceptual permitirá obtener los
parámetros básicos, definir dimensiones, configuración y otros aspectos necesarios e
importantes para el diseño, los cuales son objeto del trabajo de investigación.
A continuación, se detallan los puntos a desarrollar en esta etapa de diseño.
3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje
El sistema de trenes de aterrizaje para una aeronave no tripulada, al igual que otros
sistemas que forman parte de ella, está supeditada a cumplir ciertos requerimientos de
diseño los cuales permiten garantizar la operación adecuada e idónea de la aeronave.
Por otro lado, la determinación de requerimientos está sujeta a las características técnicas
con la que cuenta el vehículo aéreo no tripulado (UAV), es decir, que depende de las
especificaciones que posea; tales como: peso total, envergadura, longitud, peso máximo
de despegue (máximum take-off weight), carga útil, ubicación del centro de gravedad (c.g.),
entre otros. Para el caso en específico de esta investigación, la aeronave cuenta con las
características técnicas detallada en la tabla siguiente:
Tabla 4: Características técnicas de UAV Tupac P1- UTP.
Envergadura 1.70 m
Longitud 0.85 m
Superficie alar 0.286 m2
Peso total 12.8413 N
Peso máximo de despegue 25.506 N
Velocidad máxima 27.78 m/s
Motor GPMG-4560 (1250 Kv)
Batería 5200 mAh
Alcance 1000 m
34
Autonomía 0.30 h
Por otro lado, los requerimientos para los trenes aterrizaje de aeronaves no tripuladas
difieren en ciertos aspectos en comparación con trenes para aeronaves convencionales de
uso civil o militar, debido a la condición que esta ostenta (no tripulado).
De lo detallado anteriormente los requerimientos para el diseño del tren aterrizaje de un
UAV son: adaptabilidad, rigidez, estabilidad, mantenibilidad, bajo peso (liviano) y bajo
costo.
3.1.1.2 Especificaciones
En referencia a las especificaciones del sistema de trenes, se detalla a continuación: por
la configuración del sistema, el UAV es de tipo triciclo y cuenta con cuatro neumáticos
distribuidas en la estructura del avión no tripulado; dos neumáticos en los trenes principales
(uno en cada lado) y los dos restantes en el tren de nariz o de morro, todos ellos albergados
dentro del fuselaje; la altura del tren; debe ser adecuada con la finalidad de no alterar la
estabilidad de la aeronave, asimismo, se tendrá en cuenta el sistema de amortiguación
mediante resortes.
3.1.1.3 Configuración
El proceso de diseño de un sistema de tren de aterrizaje se inicia con la selección de la
configuración. Ante la existencia de diferentes tipos de configuración (biciclo, triciclo,
multiciclo, convencional, tándem u otros) cada uno con sus respectivas características, se
optó por la configuración de tren triciclo, dado que esta configuración presenta mayor
estabilidad y maniobrabilidad durante las operaciones en tierra y es más segura al
momento del despegue y aterrizaje.
Esta configuración cuenta con un tren principal y un tren de nariz o de morro, siendo el tren
principal el que soporta entre un 80% a 90% de carga, mientras que el tren de nariz resiste
un 10% a 20% de carga del peso total [14] y [3].
35
En las figuras siguientes se muestran los diversos tipos de configuración.
Figura 12: Configuración de trenes de aterrizaje [13].
Figura 13: Configuración triciclo UAV Tupac P1-UTP.
3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje
Existen diversos tipos de mecanismos para los trenes de aterrizaje, dentro de los cuales
los más importantes son: fijos y retráctiles.
36
Los trenes fijos, son utilizados en aeronaves pequeñas de poco peso y una autonomía
baja. Con respecto al mantenimiento, son económicos ya que son simples, es decir que no
poseen gran cantidad de piezas, sin embargo, genera elevada resistencia aerodinámica
(oposición al avance). Algunos cuentan con sistemas de suspensión o amortiguación poco
sofisticados ya que este mecanismo no está expuesto a cargas de gran magnitud [13].
Los trenes retráctiles, son los más empleados en las aeronaves comerciales ya que este
sistema reduce considerablemente la resistencia aerodinámica generada por los trenes
extendidos. Sin embargo, es un sistema muy pesado, su mantenimiento es costoso, ya que
utilizan sistemas de amortiguación sofisticados y gran cantidad de piezas para hacer frente
a las cargas que se generan al momento de que la aeronave realiza operaciones en tierra
y no dañe la estructura del fuselaje [13] y [3].
De lo expuesto anteriormente respecto al tren de aterrizaje fijo, si bien es cierto este tipo
de mecanismo es adecuado para aeronaves pequeñas y ello incluye en gran parte a los
UAV, para el caso de esta investigación se opta por el segundo; tren de aterrizaje retráctil,
debido a que la finalidad es encontrar la máxima eficiencia aerodinámica de la aeronave,
es decir mayor sustentación posible a una menor resistencia, para lograr ese objetivo se
hace un diseño adecuado y eficiente, ello es más factible de lograr con el mecanismo de
tipo retráctil. Por otro lado, en cuanto al mantenimiento y costo difiere en gran medida a los
trenes de aterrizaje de los aviones convencionales (uso civil y militar), pero en la
composición suelen ser similares. Dicho de otra manera, ambos poseen un mecanismo de
retracción, sistema de amortiguación, dirección, disposición de ruedas entre otros.
A continuación, se muestra una tabla de comparación entre ambos mecanismos,
considerando las principales características.
Tabla 5: Comparación de tipos de tren.
Características / Tipo de tren Fijo
Resistencia aerodinámica Alta
37
Maniobrabilidad Media
Mantenimiento Bajo costo
Diseño Fácil
Peso Bajo
3.1.2 Diseño Preliminar
De acuerdo a lo detallado en el capítulo 2, en esta etapa de diseño se realizan los cálculos,
análisis y evaluaciones necesarios para el funcionamiento idóneo del tren de aterrizaje.
Entre ellos: cálculos de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, las cargas
que debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se realiza diseño y
simulación con software (CATIA V5, ANSYS).
3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje
Es el proceso de cálculo para la obtención de datos tales como: la distancia, el tamaño y
la ubicación del sistema de trenes de aterrizaje en la estructura de la aeronave (avión no
tripulado), haciendo uso de las ecuaciones establecidas e inferidas los cuales son
desarrollados a continuación:
3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz
El cálculo de distancias se puede realizar de dos formas; mediante el uso de ecuaciones
matemáticas y por el método gráfico. Para el caso de las ecuaciones se pueden obtener
en los libros de diseño de aeronaves citados en la bibliografía, y para el caso del método
grafico se debe contar con datos importantes de la aeronave, que se muestran en la figura
15, algunos de los autores mencionados realizan los cálculos con ambos métodos. Es
relevante mencionar que se debe tener en cuenta las cargas distribuidas que actúan sobre
los trenes tales como:
38
Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)
Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)
Para el caso los trenes de aterrizaje de nariz, la ubicación debe ser lo más alejado del
centro de gravedad con la finalidad de reducir la carga y maximizar la estabilidad. Las
cargas estáticas máxima y mínima recomendadas varían en intervalos de 0.08 y 0.2.
Durante el cálculo de cargas, el valor tomado es el 0.15 del peso máximo de despegue
(WT), cumpliendo la condición que el diseño satisfaga una situación crítica. A continuación,
se muestra las ecuaciones de la carga estática máxima del tren de aterrizaje de nariz
(CEMTN) ecuación (3) y carga estática máxima del tren de aterrizaje principal (CEMTP)
ecuación (4), donde 2 representa la cantidad de neumáticos en el tren [11] y [1].
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.8∗ 𝑊𝑇
2 (4)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)
𝐹 (5)
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048
𝑚
𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇
(9.81 𝑚
𝑆2)∗𝐹 (6)
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹 (7)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑁)
𝐹 (8)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
𝟐∗𝐹 (9)
De las ecuaciones mostradas, la ecuación (5), representa carga estática máxima del tren
principal, la ecuación (3) es otra manera de hallar la 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 a razón de las distancias de la
ubicación de los trenes de aterrizaje, la ecuación (6) indica la carga dinámica máxima del
tren de nariz, la ecuación (7) indica la carga dinámica máxima del tren principal, la ecuación
39
(8) indica carga dinámica mínima del tren de nariz, y finalmente la ecuación (9) dinámica
mínima del tren principal.
Las ecuaciones mostradas son necesarias para obtener la posición del tren delantero o
nariz. Cabe mencionar que el valor 3.048𝒎
𝒔𝟐 , es la desaceleración tomando en cuenta un
coeficiente de fricción =0.3, 9.81 𝑚
𝑆2 representa la aceleración de la gravedad [1].
Figura 14: Dimencionamiento del tren de aterrizaje respecto al centro de gravedad.
Por otro lado, la posición del tren principal debe estar ubicado en un intervalo de 0.5 y 0.55
de la cuerda aerodinámica media (CAM), de este modo el tren principal está más alejado
del centro de gravedad en consecuencia soporta mayor carga. De lo mostrado en la figura
9, L representa la longitud horizontal entre el centro de gravedad y el tren de aterrizaje de
nariz o delantero, M1, es la longitud horizontal del centro de gravedad al tren principal, F,
representa la distancia que entre el tren de aterrizaje principal y el tren auxiliar o delantero
y finalmente J, es la longitud vertical del centro de gravedad al sistema de trenes en
superficie.
Una vez obtenidas las variables, se puede iniciar con los procedimientos para el cálculo.
En caso del centro de gravedad y la cuerda aerodinámica media (CAM) ya se cuenta con
datos de dichas variables. Cg es 0.0825 m, CAM es 0.1392 m, S= 0.246 m^2, distancia
horizontal de la cuerda de raíz al cg es 0.2964.
40
De las ecuaciones (4) y (7), se obtiene la ecuación para hallar la longitud entre el tren de
aterrizaje principal y el tren de nariz (F). 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.85∗ 𝑊𝑇
2 = 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹
𝐹 =𝑀1
1−0.85∗𝑊𝑇 ∗2
𝑊𝑇 ∗2
=𝑀1
0.15 (10)
Figura 15: Dimensiones del centro de gravedad respecto a la CAM.
De la figura 10 se obtiene el valor de M1, el cual es igual a M1=0.0567 m, considerando
0.55 de la cuerda aerodinámica media (CAM) como posición del tren principal, por lo tanto,
con la ecuación (9), F es igual a F=0.378 m.
Conociendo estos datos se plantea la ecuación (11) parta obtener la longitud horizontal del
centro de gravedad al tren de nariz, L.
𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)
De la ecuación (10) la longitud correspondiente es L=0.2276.
41
Figura 16: Cálculo mediante el método gráfico. [11]
3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal
El cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el centro de gravedad
M1, se realiza con la figura 10 y el valor obtenido es M1= 0.0569. Este valor es importante
para la obtención de la distancia entre los trenes de aterrizaje principal y de nariz (F).
3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base)
Esta distancia que representa la longitud horizontal del tren principal al tren de nariz F, se
obtiene con los datos anteriores haciendo uso de la figura 4, el cual da como resultado una
distancia de F=0.378 m.
3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)
El Wheel track o distancia entre trenes principales es un parámetro que dará estabilidad al
momento de hacer las tareas en tierra, ya que este debe tener la suficiente distancia para
que no ocurra volcadura de la aeronave. Primero se determina la fuerza centrífuga 𝐹𝑐 que
actúa en la aeronave al momento de girar en tierra, para esto se debe conocer la masa de
la aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro [14]. m=1.310 kg,
v=2 m/s y R=0.9 m.
𝐹𝑐 = 𝑚𝑉2
𝑅 (13)
𝐹𝑐 = (1.3010)22
0.9= 5.822 𝑁
42
Con la fuerza centrífuga, se puede hallar la distancia de la mitad del track, es decir, la
distancia desde un tren principal hasta la línea horizontal del centro de gravedad. Para
obtenerlo, se necesita la altura del centro de gravedad con respecto al suelo (𝐻𝑐𝑔) o (J) y
la masa (𝑚).
𝑌𝑜𝑡 =𝐹𝑐 ∗ 𝐻𝑐𝑔
𝑚𝑔 (14)
𝑌𝑜𝑡 =𝟓.𝟖𝟐𝟐∗𝟎.𝟏𝟗𝟖𝟒
𝟏.𝟑𝟏𝟎∗𝟗.𝟖𝟏= 0.089 𝑚, por lo tanto, Wheel track es 0.178 m.
3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje
La altura del tren de aterrizaje es una característica importante del sistema de trenes de
aterrizaje, debido a que una altura inadecuada la aeronave incrementará la posición del
centro de gravedad, en consecuencia, la aeronave será inestable al momento de hacer
virajes en tierra.
El método para hallar la altura de un tren de aterrizaje consiste en disponer de la distancia
M1, que es la longitud que hay entre el tren principal con el centro de gravedad y el ángulo
que esta forma con el tren Θ°, dicho ángulo oscila en un intervalo de 8°-16° [3]. Para el
cálculo de la altura se asume Θ=16°, debido a que, si el ángulo fuese mayor habría una
tendencia a cabecear o ir hacia adelante lo cual haría que la aeronave (UAV) sea inestable.
Definiendo el ángulo y conociendo la distancia M1, se determina J con la cotangente del
ángulo formado por el centro de gravedad y la posición del tren principal.
𝐽 =𝑀1
𝑇𝑔 (16°) (15)
Figura 17: Calcúlo de altura de trenes de aterrizaje.
43
De la ecuacion (15) J= 0.1984 m, este resultado se adecua alas caracteristicas con la que
cuenta el UAV y se deduce por lo expuesto anteriormente que la aeronave es estable en
maniobras en tierra (carreteo, despegue y aterrizaje).
3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje
Las Cargas dinámicas y estáticas, tanto verticales, laterales y longitudinales, se obtienen
con las distancias horizontales que describen la posición del tren de aterrizaje con respecto
al suelo y otros valores. En condiciones críticas, es decir, soportando una carga de 0.15
del valor del peso máximo al despegue 𝑊𝑇 (MTOW), la carga estática máxima del tren de
nariz se obtiene, haciendo uso de la ecuación (3)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 25.506; 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 3.8259 𝑁
Para hallar la carga máxima dinámica del tren de nariz es necesario determinar
previamente la carga estática y la altura (J). Cabe resaltar que en esta ecuación hay dos
valores predeterminados (3.048𝑚
𝑆2) que es la desaceleración considerando un coeficiente
de freno y la gravedad (9.81𝑚
𝑆2). y F es la distancia entre el tren de nariz y tren principal. De
acuerdo con la ecuación (6), se obtiene:
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048
𝑚𝑠2) ∗ 𝐽 ∗ 𝑊𝑇
(9.81 𝑚𝑆2) ∗ 𝐹
44
CDMTN = 5.3955 N
Asimismo, la carga estática máxima y la carga dinámica máxima en el tren de aterrizaje
principal, se obtiene con la ecuación (4):
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.8∗ 𝑊𝑇
2
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 = 10.2024 N
Por otro lado, se calcula el factor de carga o factor de reacción del tren de aterrizaje F.C.TN,
el cual se obtiene del cociente de la carga dinámica máxima y la carga estática máxima,
mediante la ecuación (12):
𝐹. 𝐶𝑇𝑁 =𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁=
5.3955
3.8259
𝐹. 𝐶𝑇𝑁 = 1.41
Figura 18: Cargas actuantes en el tren de aterrizaje [14]
3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales
Considerando la ecuación (16) y haciendo uso de la tabla 4, se determina la velocidad de
descenso (Vd), lo cual sirve para el cálculo de la carga vertical (CVTP). Es relevante
mencionar que el cociente del peso total y la superficie alar también es denominado carga
alar. Según la FAR 23 (federal aviation regulation) esta ecuación es para unidades del
sistema americano.
45
𝑉𝑑 = 4.4 (𝑊
𝑆)
𝟏/𝟒
𝑉𝑑 = 4.4 (2.888 𝑙𝑏
3.078 𝑓𝑡2 )
𝟏/𝟒
= 4.3305𝑙𝑏
𝑓𝑡= 1.3199 𝑚/𝑠
𝐶𝑉𝑇𝑃 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈 = 2 ∗ 10.2024 ∗ 1.41
𝐶𝑉𝑇𝑃 = 28.7708 𝑁
Es preciso recalcar que la Pm es igual CEMTP, carga estática máxima y Ng representa F.
CT, factor de carga del tren, asimismo, ns, número de strut del tren principal, el cual según
los autores consultados suele ser 2.
3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales
Para determinar la carga lateral C.L, hacemos uso de la ecuación (21).
𝐶. 𝐿 =𝑊
2∗ 1.33 =
12.8511
2∗ 1.33
𝐶. 𝐿 = 8.560 𝑁
3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje
Los autores citados coinciden en hacer uso de información sobre resortes existentes en el
mercado y adecuar a las demandas, para amortiguación en los trenes de aterrizaje son:
resistencia a las cargas estáticas y dinámicas.
Para el tren de aterrizaje diseñado, se hace uso de resorte helicoidal de compresión con
extremos planos a escuadra y esmerilado, ya que este tipo de resorte posee propiedades
muy significativas de transferencia de carga, adecuados para disipar energías de carga y
esfuerzo de aterrizaje. El resorte es de material alambre de piano o alambre musical, este
tipo de material presenta mayor resistencia a cargas de repetitivas y cargas de tensión.
Para el cálculo se utiliza el catálogo de resortes de AsRaymond, anexo 5. El resorte elegido
es D12390 y posee las características siguientes:
46
Diámetro exterior, Do =9.60 mm, diámetro de alambre, d =1.6 mm, longitud libre, Lo =65.50
mm, longitud cargada, L1 =35.20 mm, Altura sólida, Ls =32.80 mm, carga a L1, P =211.52
N y coeficiente de compresión, R =7.05 N/mm.
• Numero de espiras totales (Nt), utilizando la tabla 3:
Nt =Na + 2
Ls = d x Nt; Nt = Ls/d
Nt = 20.5
• Paso (p), utilizando la tabla 3:
p = Lo- 2d / Na
Nt = Na + 2; Na = Nt -2; Na = 18.5
p = [65.50 -2(1.6)] /18.5
p =0.000337 m (3.37mm)
3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje
El tren de aterrizaje del UAV utilizará un mecanismo retráctil (mediante servos), tal como
se muestra en la figura 19, para que cumpla su correcto desplazamiento. Al momento de
estar retraídos, los trenes principales se guardarán en el interior del fuselaje, de este modo
se reduce considerablemente la resistencia aerodinámica que efectuaban al estar
extendidos.
Figura 19: Cinemática del tren de aterrizaje [13].
47
Para este punto se usa el software SAM-artas 6.1, para la simulación del mecanismo de
retracción, es decir, la cinemática que existirá en el tren de aterrizaje, y así mismo poder
obtener las fuerzas, desplazamiento y todos los parámetros durante el tiempo en el que
este mecanismo funcione. Para realizar el debido cálculo se realizan los siguientes pasos:
• Se abre el software SAM-artas 6.1
• Se selecciona la herramienta “Create beam element”, tal como se muestra en la figura
20.
Figura 20 : Procedimiento para realizar la simulación.
• Se coloca un punto fijo, para que el mecanismo de retracción del tren de aterrizaje
pueda tener un movimiento sobre un punto de pivot. Como se muestra en la figura 21.
48
Figura 21. Punto fijo o pivot
• Con la herramienta Angle input motion, se selecciona el elemento que tendra ovimiento,
con el punto de fijación
• Posteriormente se ponen los valores de movimiento que tendrá,se muestra en la
figura 22.
Figura 22. Valores para el movimientodel mecanismo
49
• Finalmente, se selecciona la la herramienta Select nodes/Element properties to
display in graph, y se hace la selección de parámetros que se desean observar con
respecto al tiempo transcurrido en el movimiento.
En las figuras siguientes se muestran el movimiento del mecanismo para el tren de
aterrizaje en diversos instantes de retracción. La figura 23 representa el mecanismo del
tren cuando esta extendido.
Figura 23. Movimiento del mecanismo para tren de aterrizaje en 0 s.
Figura 24: Gráfica del tren de aterrizaje en 1s
50
Figura 25 : Gráfica del tren de aterrizaje en 3s
Figura 26 : Gráfica del tren de aterrizaje en 5s
Teniendo en cuenta que el movimiento sera accionado mediante servos electronicos, el
cual se considero simular el movimiento, se obtuvo como resultados: Aceleracion de a=
0.01958 m/s2 , velocidad de v=0.06233 m/s y una velocidad angular de ω=0.3142 rad/s.
3.1.2.5 Diseño estructural 3D
Se hace uso del software CATIA V5;, el cual sigue la secuencia es la siguiente:
• Start
• Mechanical design
• Part design y se pone el nombre de la pieza. Como se muestra en la figura 27.
51
Figura 27: Inicio de diseño de partes de los trenes de aterrizaje
• Se elige el plano de trabajo y se inicia con el diseño de la pieza.
• Se crea Sketch, mostrado en la figura 28.
Figura 28: Elección de plano y Sketch
52
• Se usa las herramientas de Circle y Spline para dar el perfil que tendrá la pieza, en este
caso el neumático para el tren de aterrizaje.
• Se usa la herramienta Quick Trim para borrar los trazos innecesarios, luego se finaliza
el Sketch con Exit Workbench . Ver las figuras 29 y 30.
Figura 29: creación del perfil de la pieza fase inicial
Figura 30: creacion del perfil de pieza ,fase final
53
• Luego de crear el perfil, se cambia de modo de uso del software de Mechanical design
-Part design a Shape-Generative Shape Design, con la finalidad de usar la herramienta
Revolve, figura 31.
• Finalmente, se usa la herramienta Revolve y crear la pieza (neumático). Figura 32.
Figura 31: Cambio de modo de uso
Figura 32: uso de Revolve y creación del neumático.
54
• Para las piezas restantes se sigue el mismo proceso. Es relevante mencionar que el
proceso seguido no el único para poder crear piezas.
Por otro lado, para desarrollar el ensamble se procede con cambiar el modo de uso a
Mechanical Design- Assembly Design y se inserta las piezas diseñadas, figuras 33 y
34. Figura 33: Inicio del proceso de ensamble
Figura 34: Fase inicial de ensamble
55
• Se usa la herramienta Coincidence Constrain para iniciar el ensamble
• También se puede usar Contact Constrain, Offset Constrain y otras herramientas.
• Luego Update All, se sigue el mismo proceso para las demás piezas.
Figura 35: Ensamble del neumático
Figura 36: Ensamble tren de nariz-fase inicial.
56
Figura 37: Ensamble del tren de nariz -fase final.
Figura 38: Ensamble completo
57
3.1.2.6 Selección de material
Existen muchos materiales disponibles con los que se puede fabricar los trenes de
aterrizaje, pero debido a que este sistema debe ser lo menos pesado posible los materiales
más usados son: aluminio, aleaciones de aluminio, fibra de vidrio y fibra de carbono.
Para el caso de este diseño de tren de aterrizaje los materiales que se han seleccionado
son dos de los materiales mencionados, los cuales son el aluminio y la fibra de vidrio ya
que estos materiales son los más idóneos para soportar cargas y no aumentan
significativamente el peso de este sistema, estos son propicios para parámetros que se
busca en esta investigación, rigidez y peso.
3.1.2.7 Simulación
Este proceso se hace una vez concluido el diseño en 3D y una vez hecho la selección de
materiales en las figuras siguientes se muestra los resultados de la simulación el software
SolidWorks. La simulación inicial es el análisis estático figura 37 representa el análisis del
factor de seguridad del tren de nariz, para el caso de el tren de nariz, la carga estática
máxima es de 3.8259 N
58
Figura 37: Factor de seguridad
Por otro lado, en la figura 38 se muestra el análisis de desplazamiento del tren sometido a
una carga dinámica máxima de 5.3955 N, en esta figura se observa que el resorte disipa
la energía generada por el peso.
Figura 38: Análisis de desplazamiento
En la figura 39 se muestra la deformación unitaria del sistema de trenes de aterrizaje
sometido a una carga dinámica máxima de 5.3955 N.
59
Figura 39: Deformación unitaria
3.1.3 Diseño Detallado
En esta etapa de diseño se hace una selección detallada de todos los componentes
necesarios para la manufactura del sistema del tren de aterrizaje, elementos como:
tornillos, tuercas, lubricante, rodamiento; así mismo también se hace un plano detallado de
todo el sistema para la realización de la manufactura, se hace la respectiva estimación de
tiempo de construcción del sistema de trenes y se hace la estimación costo total de este.
60
CAPITULO 4
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Luego de efectuar los cálculos requeridos para el diseño de un tren de aterrizaje para un
avión no tripulado con motor eléctrico se menciona lo siguiente:
4.1 Ubicación del tren de aterrizaje
Se determinó mediante ecuaciones que la ubicación adecuada para el tren de aterrizaje
principal del UAV respecto al centro de gravedad es L= 0.2276 m, y la ubicación del tren
de nariz respecto al centro de gravedad es M1=0.056.
Las distancias determinadas cumplen con las demandas de estabilidad y direccionalidad
del UAV. Se determina esto teniendo como base las características técnicas de la aeronave
UAV-Tupac P1.
4.2 Cargas en el tren de aterrizaje
De acuerdo a las ecuaciones usadas para el cálculo, detalladas en los capítulos del trabajo
de investigación. Las cargas en los trenes de aterrizaje son: carga en tren principal 23.4655
N, carga en el tren de nariz 2.0405 N.
Las cargas expresadas en porcentaje representan un 8.0001 % de carga para el tren de
aterrizaje de nariz y un 91.999 % para el tren principal. En cuanto al valor del tren de nariz
61
se encuentra por debajo el promedio (10-20%) expresado por los autores consultados y el
valor de tren de nariz es mayor en un porcentaje mínimo, considerado normal.
4.3 Softwares para el diseño y simulación del tren de aterrizaje
En referencia al uso de softwares en el diseño y simulación. Se optó por el programa CATIA
para el diseño del sistema de trenes de aterrizaje. Debido a que esta herramienta posee
una interfaz amigable, lo cual permitió realizar un diseño adecuado. Sin embargo, al ser un
software sofisticado requiere de conocimientos previos con softwares similares.
Por otro lado, para la simulación se utilizó el software ANSYS, considerado como el
software apropiado para determinar las cargas a las que está sometido los trenes de
aterrizaje. Se comprobó que las determinadas por la ecuación difieren en mínimo con las
obtenidas por el software.
62
CONCLUSIONES
• Se diseñó un tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico, de tipo
triciclo y retráctil el cual cumple las funciones requeridas en el aterrizaje, despegue y
otras operaciones en tierra. Con el diseño realizado se dio solución al problema
estructural al que era sometido el fuselaje del UAV-Tupac P1.
• Se determinó que la ubicación del tren de aterrizaje respecto al centro de gravedad
corresponde a: distancia del centro de gravedad y el tren de nariz L=0.2276 m, distancia
del centro de gravedad al tren principal es M1= 0.0569 m, el Wheel track o distancia
entre trenes principales es igual a 0.178 m, distancia entre el tren de aterrizaje principal
y el tren de nariz es,0.378 m y la altura del tren de aterrizaje J= 0.1984 m. Estas
dimensiones proveen estabilidad y direccionalidad.
• Se calcularon las cargas que actúan en el tren de aterrizaje de la aeronave no tripulada,
obteniendo la carga para el tren principal igual 23.4655 N, el cual representa el 92 %
de la carga total y carga en el tren de nariz igual 2.0405 N, representa el 8%. cargas
consideradas satisfactorias.
• Se elaboraron los planos del tren de aterrizaje presentados en los anexos (1), también
se elaboraron los planos del UAV-Tupac P1, mostrados en los anexos (2), (3) y (4). Los
planos ayudaran a una futura construcción e instalación en el avión no tripulado.
63
• Se simuló el funcionamiento del tren de aterrizaje con el software ANSYS, el cual
permitió corroborar los valores obtenidos con resultados satisfactorios.
64
RECOMENDACIONES
• Se recomienda la implementación del tren de aterrizaje diseñado en la aeronave no
tripulada UAV-Tupac P1, con la finalidad de prevalecer su integridad estructural durante
las etapas de aterrizaje en el ciclo de vuelo.
• Realizar el cálculo de cargas a las que el tren de aterrizaje está sometido haciendo uso
de las ecuaciones y usando un software, ello permitirá corroborar los datos
determinados.
• En relación al uso del software, elegir uno que sea de su dominio para escatimar tiempo
y ser eficaz en el diseño, de ese modo podrá disponer más tiempo para efectuar la
simulación y análisis.
• {El presente tren de aterrizaje ha sido diseñado específicamente para el UAV-TupacP1,
este podría adaptarse para aeronaves similares, sin embargo, su eficiencia al momento
del uso no será el mismo.
65
BIBLIOGRAFIA
[1] O. Rojo Mendoza y L. R. Morgado Rodriguez, Diseño y cálculo mecánico del tren de
nariz de un UAV, México D.F.: Instituto Politécnico Nacional, 2015.
[2] N. Peña Santanilla, L. F. Mondragón Garzón y O. M. Castillo Orjuela, Análisis
estructural de fuselaje y tren de aterrizaje de una aeronave deportiva en proceso de
construcción (FI-156 STORCH), Bogotá D.C: Universidad San Buenaventura, 2005.
[3] P. Armando Garcia y J. D. Betancourt Salazar, Diseño y Construccion del Trende
Aterrizaje para la Aeronave VANT Solvendus, bogotá: Fundación Unversitaria Los
Libertadores, 2017.
[4] B. Mulyadi y R. Meyfal , «A new Concept for UAV Lnding Gear Shock Vibration
Control Using Pre-straining Spring Momentum Exchange Impact Damber,» Journal
of Vibration and Control, vol. 24, nº 8, pp. 1455-1468, 2016.
[5] J. Rodriguez Gómez, Tren de Aterrizaje del Folcke Wulf fw 190, Reconstrucción y
Análisis Virtual, Cataluña: Universidad Politécnica de Cataluña, 2013.
[6] R. Hernandez Hipólito, Análisis estructural de un tren de aterrizaje fijo de un avión
ultraligero, México D.F: Instituto Politécnico Nacional, 2007.
[7] S. Engín, Design and Manufacturing of a Tactical Unmanned Air Vehicle, Cankaya :
Middle East Technical University, 2010.
[8] A. Meroño Garmica, Diseño de un UAV Eléctrico de 3 Metros de Envergadura,
Sevilla: Univeridad de Sevilla, 2014.
66
[9] R. Rangel Escobar, Guia para Diseño de Trenes de Aterrizaje de Aeronaves
Pequeñas Mediante ANSYS-CATIA, México D.F: Universidad Politécnico Nacional,
2015.
[10] J. Parmar y V. Acharya, «Selection and Analysis of the Landing Gear for Unmanned
Aerial Vehicle for SAE AERODESIGN Series,» International Journal of Mechanical
Engineering and Technology (IJMET), vol. 6, nº 2, pp. 10-18, 2015.
[11] N. S. Currey, Aircraft Landing Gear Design: Principles and practice, Georgia:
American Institute of Aeronautics and Astronautics , Inc..
[12] S. Mohammad H, Unmanned Aircraft Design: A Review of Fundamentals,
Mancherter: Morgan and Claypool Publishers, 2017.
[13] D. P. Raymer, Aircraft Design : A Conceptual Approach, California: American
Institute of Aeronautics and Astronautics ,inc., 1992.
[14] S. Mohammad H, Aircraft Design: A System Engineering Approach, New hampshire:
Wiley, 2013.
[15] A. Kumar Kundo, Aircraft Design, Nueva York: Cambridge University Press, 2010.
[16] A. Garza Sàenz, A. Montello Villanueva, G. Garcia Sànchez, S. Tilvaldyev y D. L. G.
T. , «Diseño de soportes de material compuesto, pàra trenes de aterrizaje; un
estudio basado en la relaciòn rigidez peso,» EBSCOhost, vol. 13, nº 59, pp. 6-17,
2016.
[17] G. Landa Avilés, Estudio experimental sobre el refuerzo a cortante de estructuras de
hormigón mediante materiales compuestos, Cataluña: Universidad Politécnica de
Cataluña, 2002.
[18] D. Bey Ruiz, Diseño de fabricacion en fibra de carbono de un compensador de giro
de una aeronave., Cádiz: Universidad de Cádiz, 2006.
[19] R. I. Norton, Diseño de maquinas, un enfoque integrado., Cuarta ed., L. M. C.
Castillo, Ed., Ciudad de México: Pearson, 2008, pp. 647-720.
[20] R. G. Budynas y J. K. Nisbett, Diseño en ingenieria mécanica de Shigley, Octava
ed., D. b. A. Ricardo A, Ed., Monterrey: Mc Graw- Hill interamericana., 2008, pp.
499-547.
[21] J. Akhilesh, «Langing gear layout design for unmanned aerial aircraft,» National
conference on machines and mechanisms, Bangalore, 2009.
67
ANEXOS
Anexo 1: tren de nariz
68
69
Anexo 2: ensamble del UAV-Tupac P1 y el tren de aterrizaje
70
Anexo 3: vista de perfil UAV-Tupac P1 y tren de aterrizaje
71
Anexo 4: UAV-Tupac P1
72
73
Anexo 5: Catalogo asRaymond alambre de piano
74
Material Cantidad Precio unitario
(Soles) Precio total S/.
Impresiones/Copias 30,00 1,00 30,00
Software 3,00 149,00 447,00
Folders 30,00 0,50 15,00
Faster 30,00 0,20 6,00
Movilidad 17,00 1,50 25,50
TOTAL 523,50