Estudio y principios
de funcionamiento
Tren de aterrizaje
Dpto. Aeronáutica – Facultad de Ingeniería – UNLP
Cátedra Mecanismos y Sistemas de Aeronaves - Pablo L. Ringegni
Desarrollo
Definición y Funciones
Elementos principales. Clasificación
Funcionamiento
Tipos
Neumáticos
Abosrción de impacto
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Función del trenes de aterrizaje
Permitir el carreteo en pista taxi-libre (movilidad del avión de una a
otra parte de la pista), aterrizaje y despegue, teniendo en cuenta la
repartición de cargas y brindando confort a los pasajeros durante el
mismo.
Cambiar la dirección oblicua de aterrizaje en una dirección paralela
a la pista, absorbiendo la energía de impacto de la aeronave
mediante compresión del amortiguador (resorte neumático +
amortiguador) y deformación del neumático.
Transmitir las cargas a la estructura del avión
Absorber la energía de frenado durante el carreteo en pista.
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Primera Clasificación Fijos
Retráctiles
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Elementos estructurales
Sistemas de amortiguamiento (amortiguadores y neumáticos)
Sistemas de actuadores para el ascenso y descenso del mismo
(Retracción y despliegue)
Sistemas de indicación de posición y aviso
Compuertas
Sistema de frenos
Ruedas (Neumat. y llanta)
Brazos y Articulaciones
Ruedas
Pata
principal
Tipos:
• Deslizante
• Oscilante
A Leva
A Boggie
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Pata Principal
(Clindro + vástago)
Tijera
o
Brazos de torsión
Eje de rotación
(ascenso y descenso)
Articulaciones de
torsion
Muñones
Toma de actuador principal
(ascenso y descenso)
Deslizantes
Elementos principales de un tren de aterrizaje
Deslizantes
Frenos
Actuador
traba
Actuador
subida / bajada
Brazos
Articulados
Pata
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Deslizantes
Azteca Dpto. Aeronáutica – Facultad de Ingeniería – UNLP
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Deslizantes
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Oscilante a Leva
Actuador
(up / down)
Pata del tren
Amortiguador
Oleo -
neumático
Horquilla
Biela de
frenado
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Oscilante a Leva
Biela de
frenado
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Pata Principal
(Clindro + vástago)
Elementos principales de un tren de aterrizaje
Oscilante a Boggie
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Amorti. y
Sist. posic
Actuador
Brazos
artic
Carga
lateral y
longit
Biela de
frenado
Oscilante a Boggie
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Elementos principales de un tren de aterrizaje
Oscilante a Boggie
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Funcionamiento del Tren de Aterrizaje
https://www.youtube.com/watch?v=h7rSa-xwPik
https://www.youtube.com/watch?v=K0h7pq3oxM8
https://www.youtube.com/watch?v=jwRl5GwUYN4
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Tipos de tren de aterrizaje
Tren principal Tren de nariz
o delantero
Triciclo
Patín de cola
Convencional
Tren principal
Tren de nariz: (fijo o retráctil)
• Dirección del avión en tierra
• Soporta parte del peso del avión
• Propenso a los daños
• Aumenta la resistencia
• Peso considerable
• Mayor complejidad si es retráctil
• No muy apto para terrenos rugosos
• No apto para soportar el impacto inicial
en el aterrizaje
• Posee una o dos ruedas
• Ubicado delante del CG
Patín de cola:
• Componente sencillo
• Soporta muy poco peso del avión
• Un componente menos a retraer
• Bajo peso
Tren principal: (fijo o retráctil)
• Robusto
• Absorbe el impacto inicial en el
aterrizaje
• Posee una o más ruedas: f ( peso
de la aeronave)
• Ubicado detrás del CG
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Tipos de tren de aterrizaje
90% de la carga en tren principal
10 % sobre la rueda de nariz
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Ventajas Desventajas
Casi imposible levantar la
nariz
Propenso a daños (aún
en pistas regulares)
Facil de maniobrar en
tierra (taxi), despegue y
aterrizaje y Reduce
significativamente el “
ground looping”
No muy bueno para
terrenos irregulares. Se
puede dañar el tren de
nariz
Mas fácil de aterrizar, dado
que posee una actitud de
nariz mas baja
Pesado
Menos vulnerable a viento
cruzado (efecto veleta
respecto al tren ppal)
Mayor complejidad si
es retráctil
Aumenta la resistencia
Triciclo
Convencional
Ventajas Desventajas
Menos propenso a daños –
útil en superficies sin
pavimentar
Propenso a levantar la
nariz y daños
El ala posee un ángulo de
ataque más alto reduciendo
la distancia de despegue
Más vulnerable a vientos
cruzados (efecto veleta
respecto al tren ppal)
Menos resistencia en
configuración tren fijo
Mas difícil de maniobrar
(control de dirección) en
tierra, propenso a
“ground loops” en el
aterrizaje
Menos complejo si es
retráctil
Can be hard to taxi -
Dificultad de visión por
sobre la nariz en el
rodaje
Menos peso
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NEUMÁTICOS DE USO AERONÁUTICO
Neumáticos
Principales requisitos
Estructura
Tipos de cubiertas
Temp y alta velocidad
Criterio de selección
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Principales requisitos a cumplir:
Baja resistencia a la rodadura comparada con un patín
Buena adherencia con la pista durante el frenado
Altas velocidades (aterrizaje y despegue)
Buena resistencia al desgarro
El menor tamaño posible
Bajo peso
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Estructura
Neumático diagonal
Neumático Radial
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Tipos de cubiertas
Tipo I Este tipo de cubiertas con un suave contorno fue diseñada para aeronaves con
trenes de aterrizaje no retráctiles, aunque en la actualidad todavía están
disponibles, su uso no es tenido en cuenta en el diseño de aviones actuales por ser
consideradas obsoletas.
Tipo III – (baja presión)- ( 50 psi.)
Este tipo de cubiertas es utilizado sobre la mayoría de las aeronaves propulsadas por motores de pistón de hoy día (aeronaves livianas). El espesor de la sección es relativamente extenso en relación con el diámetro del talón. Por su característica de baja presión proveen buenas características de amortiguamiento.
Típico tamaño:6-6 (diámetro de la llanta)-(ancho).
Tipo II – (alta presión)
Al igual que el modelo anterior aun están disponibles y también son
consideradas obsoletas. El tipo II fue diseñado para aeronaves con trenes de
aterrizaje retráctiles. Luego serían reemplazadas por el tipo VII.
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Tipo VII – (extra alta presión)-(100 a 250 psi.)
Este tipo es utilizado universalmente en aeronaves militares y civiles (jets y
turbopropulsores) actuales. Es una cubierta con altas capacidades de carga y poca
ancho. Algunos tamaños actuales de este tipo de neumáticos son puestos bajo la
designación de “New Design”
Típico tamaño: 164.4 (diámetro externo)(ancho).
New Design
Todas las cubiertas recientemente diseñadas, excepto las del Tipo III, son
clasificadas dentro de este tipo. Están siendo desarrolladas y construidas para
requerimientos de alta velocidad. Son utilizadas tanto para aeronaves comerciales
como militares.
Típico tamaño: 184.25-10 (diámetro externo)(ancho)(diámetro de la llanta).
Tipo VI – (baja presión)
Este tipo de neumáticos fue diseñado sólo para trenes de aterrizajes delanteros.
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• Diseñadas y construidas para condiciones de operaciones de altas prestaciones y exigencias extremas
• Mantenimiento sea mínimo
• Costos no muy elevados.
• Debe soportar grandes cargas
• Velocidades elevadas (280-300 Km/h).
• No recomendable su uso en casos donde la temperatura de la superficie de la misma exceda los 225ºF (110ºC), o cuando la temperatura en la llanta (adyacente al neumático), producida por el frenado, exceda los 300ºF (150ºC).
Comparativo de los neumáticos según sus aplicaciones.
Cubiertas de uso aeronáutico:
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Curvas de Neumáticos
Tipo de cubierta
Presión
de inflado
Rango normal aprox. de
deflexión: 33 a 38 %
= Aplastamiento (mm)
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Selección de Neumáticos Fuerzas estáticas y dinámicas actuantes
c = distancia del baricentro hasta la pata principal, vista de costado.
b = distancia del baricentro hasta la pata de nariz; vista de costado.
H = (W x ax ) / g = fuerza de desaceleración
ax/g = 0.35 para cemento seco y frenos simples.
ax/g = 0.45 para cemento seco y frenos anti bloqueo (anti-skid).
hcg = h = distancia vertical desde el suelo hasta el baricentro.
α = coeficiente de frenado brusco (2,5 a 3)
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Para el caso estático se tiene los valores de reacciones o cargas
Estaticas en tren de nariz (Vn) y tren principal (Vm):
Para el caso que el avión toca pista y se desacelera se tiene
una sobrecarga en el tren de nariz: Vs
(se toma momento respecto a la rueda del tren principal)
Si se suman los casos anteriores para el tren de nariz se tiene VnT:
(VnT = carga total sobre el tren de nariz)
Si a este caso se le agrega la sobrecarga debido al frenado, para el
tren de nariz se tiene: (VnTd = carga dinámica total sobre el tren de nariz)
Para el TREN PRINCIPAL:
C= carga estática admisible sobre
el neumático
Q= Carga dinámica admisible
sobre el neumático
Para carga estática
Para carga dinámica
Para el TREN DE NARIZ:
Vmd = Carga dinámica en tren principal
(también llamada L en algunos textos)
Ng = factor de carga
Desarrollo
Pasos a seguir:
1. Ruedas del Tren Principal:
a) CARGA ESTATICA
Determinar la carga estática máxima soportada por cada pata del tren por ecuación de
equilibrio de fuerzas, donde se tendrá tantas reacciones como patas del tren. Se debe
conocer el peso del avión y la ubicación del centro de gravedad de la aeronave
Nota 1: Si la aeronave quiere ser certificada por la Norma FAR 25 se debe multiplicar
el valor de carga estática máxima por neumático por 1.07.
Nota 2: Si no se conoce la ubicación exacta del baricentro del aeroplano, asuma que
el valor de carga estática máxima que absorbe la pata del tren principal es un 90% del
valor Wto multiplicado por un factor que va entre 1.005 y 1.01.
Nota 3: Para diseño preliminar, multiplicar el peso de diseño por un factor de 1.25.
Una vez obtenida la carga estática máxima por pata se divide este valor por la cantidad
de ruedas que posea cada pata, obteniéndose así el valor de carga estática máxima por
rueda del tren.
b) CARGA DINAMICA
Determinar las carga dinámicas máxima soportada por cada pata del tren (Vmd)
c) Comparar las cargas determinadas con la carga admisible del neumático de cada
pata del tren Dpto. Aeronáutica – Facultad de Ingeniería – UNLP
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2. Ruedas del Tren de Nariz:
a) Carga estática: Idem anterior para obtener el valor de carga máxima en la pata de
nariz y luego obtener el valor máximo por rueda.
Las notas 1, 2 y 3 también son utilizadas.
b) Carga dinámica: Determinar la carga máxima dinámica:
Para a) + b) se tiene:
c) Comparar las cargas determinadas con la carga admisible del neumático de cada
pata del tren
3. Velocidad Máxima de operación:
Para aterrizaje: Vt máx.= 1.2*VSL
Para despegue: Vt máx.= 1.1*VTO
VSL y VTO : velocidades máximas de servicio de aterrizaje y despegue respectivamente
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ABSORBEDOR DE IMPACTO
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Absorción del impacto
Dispositivos amortiguadores
Eficiencia
Amortiguadores Óleo-Neumáticos
Funcionamiento del A.O.N.
Normas
Dinámica de aterrizajes
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Mecanismos de absorción de energía
Maniobra de Aterrizaje
Componente Horizontal Componente Vertical
Absorción de la energía
Frenos Frenos aerodinámicos Amortiguador
Reversores de flujo
Neumáticos
Dispositivo de laminación Compresión del gas
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Dispositivos Amortiguadores
Los más usados:
Resortes metálicos o de goma
Líquido
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Dispositivos Amortiguadores
Los más usados:
Vigas Cantilever
Neumático
Amortiguadores óleo-neumáticos Dpto. Aeronáutica – Facultad de Ingeniería – UNLP
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Eficiencia
x
Fmax F(x)
Elemento Eficiencia η
Amortiguador Óleo Neumático 0.80 (0.75 a 0.95)
Neumáticos (ruedas) 0.4 a 0.47
Resortes de aire 0.6 a 0.65
Resorte metálico (cantilever beam) 0.5
Resorte metálico con amortiguador de
aceite
0.7
Amortiguador de aceite 0.70
Compresión de líquidos 0.75 a 0.85
xF
dxxF
x
max
0
)(
0,8
0,5
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Amortiguadores Óleo-Neumáticos Tienen alto η
Son robustos
Poseen una mínima cantidad de piezas móviles
Funcionamiento sencillo y fáciles de mantener
Presentan una elevada relación Abs. Energía / Peso
Fuerza
desplazamiento
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Funcionamiento
• Dos tubos, uno fijo y el otro deslizante
• Poseen un pistón que separa físicamente al gas del líquido hidráulico.
• Dispositivo de laminación, que es un pequeño orificio que regula su velocidad.
• Se disipa la energía cinética en forma de calor mediante tensiones de corte producidas en la laminación
Dispositivo
de
laminación
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Dinámica de los aterrizajes
g
wwE tl
v2
2
)( ssttgmsv ssNPnE
inss sdesign 1
Componente vertical de la energía
Energía absorbida por el tren
Recomendación: agregar el valor de
desplazamiento 1 in más. stt
gms
tl
s sNPn
g
ww
s /2
2
ns : número de patas de aterrizaje del tren principal.
Pm: carga máxima estática sobre cada pata del tren
principal.
Ng: factor de carga, carga máxima dinámica (L) /
carga máxima estática de cada pata (Pm).
ηt: rendimiento del neumático (tire).
ηs: rendimiento del absorbedor (shock absorber)
st :máxima deflexión del neumático.
ss :recorrido del amortiguador.
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Normas – Velocidad de descenso (Wt)
FAR 23 (Derivado de la FAR 23.725) : wt = entre 7 y 10 fps.
FAR 25 (FAR 25.732): wt = 12 fps
USAF: wt = 10 fps (13 para los de entrenamiento)
USN: wt = 10 fps para aviones de transporte
wt = 17 fps para aviones militares
wt = 22 fps para aviones militares portaviones
Normas – Factor de Carga FAR 23 Ng = 3.0
FAR 25 Ng =1.5 a 2.0
Transporte Militar Ng = 1.5 a 2.0
Aviones Cazas y de entrenamiento Ng = 3.0 a 8.0
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SISTEMA DE FRENOS
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Sistemas de freno
Función y tipos
Frenos de disco
Sistema hidráulico
Sistemas adicionales
Torque de frenado
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Funciones
Detener el avión luego del aterrizaje
Controlar la velocidad del avión durante el
carreteo
Mantener estacionario al avión durante el
encendido de los motores y otras
situaciones que lo requieran
Correcciones diferenciales en la dirección
del avión
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Tipos
Frenos de zapata (Aviones Pequeños)
Frenos de disco (Aviones de gran porte)
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Metas de diseño
Alto valor de calor específico, con lo que se
obtiene una reducción del peso
Alto valor de conductividad térmica, lográndose
una transferencia de calor más uniforme y
rápida a través del material
Retención de la resistencia específica a alta
temperatura
Bajo mantenimiento
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Frenos de Disco
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Despiece
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Pistones
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Sistema hidráulico
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Cálculo aproximado del
torque de frenado Condición
Especificaciones
Peso de aterrizaje de diseño
100 paradas a una desaceleración promedio de 10 ft/s2
Peso de aterrizaje máximo
5 paradas a una desaceleración promedio de 10 ft/s2
Despegue cancelado (RTO)
1 parada a una desaceleración promedio de 6 ft/s2
Diámetro interno
de la rueda [in]
Disco
Diámetro
interno [in]
Diámetro
externo [in]
Diámetro
medio [in]
16
8,75
13,75
11.25
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Análisis Dinámico Condición de
peso de aterrizaje
máximo
Condición de diseño estática:
22 /3.3/10 smsfta
inLbinLb
rF
T medioFdinámico 1215342
25.11
2
43212
2
inLbinLbrE
T mediototal
Festático 86996625.5154662
VERIFICATT FestáticoFdinámico
LbKgNsmKgaWF g 4321219642192489/3.358330 2
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