Common gearbox design for pusher and tractor type propulsion systems in unmanned air vehicles

Abstract

İnsansız Hava Araçları (İHA'lar) askeri ve sivil birçok kullanım alanına sahip olup özellikle askeri operasyonlarda üstünlük sağlamaktadır. Zorlu ve tehlikeli bölgelere insan hayatını riske atmadan erişim sağlayarak keşif, gözetleme, taarruz gibi görevleri yerine getirmektedir. Uzun uçuş süreleri, faydalı yük taşıma kapasiteleri ve uçuş maliyetlerinden dolayı pistonlu motora sahip hava araçları sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tip İHA'lar genellikle itici veya çekici tip itki sistemleri ile faaliyet göstermektedirler. İki tür itki sisteminde de dişli kutuları motor ile pervane arasında güç aktarma sistemi olarak kullanılmaktadır. Temel olarak dişli kutuları, değişken yük ve irtifa koşullarında belirli bir aktarma oranı ile kontrollü uçuş gerçekleştirilmesini sağlar. Ek olarak her sistemde olduğu gibi maliyet, bakım, idame edilebilirlik dişli kutuları için önem arz etmektedir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda itici ve çekici tip itki sistemleri için aynı motor ve pervane ekipmanlarına entegre edilmek üzere ortak dişli kutusu tasarımı çalışılmıştır. Çalışmada öncelikli olarak literatür araştırması yapılmış, İHA türleri ve itki sistemleri hakkında bilgi verilmiştir. İtici ve çekici tip itki sistemleri detaylandırılmış olup sistem yerleşimleri, karşılaştırmaları, avantaj ve dezavantajları üzerinde durulmuştur. Ön tasarım aşamasında sistem gereksinimleri, motor ve pervane özellikleri, sistem kabulleri, malzeme özellikleri belirlenmiştir. Bu veriler ışığında dişli kutusu tasarımı KISSsys programı kullanılarak sistem kinematiğinin oluşturulması ile başlamıştır. Ardından dişli, rulman, şaft ve diğer elemanların tasarım ve seçimleri KISSsoft programı kullanılarak çalışılmıştır. Tasarımlar yapılırken giriş-çıkış ve dikkat edilmesi gereken parametreler hakkında detaylı bilgi verilmiş, rulman ve diğer ekipmanların seçimi ile ilgili ölçütler belirtilmiştir. Son olarak dişli kutusu muhafazası ekipmanlara ve motor-pervane bağlantı arayüzüne göre tasarlanmıştır. Yapılan tüm çalışmalarda ortaklaştırma gereksinimi göz önünde bulundurulmuş olup itici ve çekici tip itki sistemi ile çalışabilecek dişli kutusu tasarımı tamamlanmıştır.Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have many military and civilian areas of usage and provide superiority, especially in military operations. UAVs discharge tasks such as reconnaissance, surveillance, and attack by providing access to challenging and hazardous areas in military areas without risking human lives. Due to long flight durations, payload capacities, and operational costs, UAVs equipped with piston engines are frequently utilized. These types of UAVs generally operate with pusher and tractor type propulsion systems. In both types of propulsion systems, gearboxes are used as power transmission systems between the engine and the propeller. Fundamentally, gearboxes enable efficient and controlled flight under variable load and, altitude conditions by a specific transmission ratio. Additionally, as with each system, cost, maintenance, and maintainability are critical considerations for gearboxes. In line with these needs, a common gearbox design has been developed to integrate with the same motor and propeller in both pusher and tractor type propulsion systems. Initially, the literature review was conducted and information was provided about UAV types and propulsion systems in the study. Pusher and tractor type propulsion systems are detailed and system layouts, comparisons, advantages, and disadvantages are emphasized. During the preliminary design stage system requirements, motor and propeller specifications, system assumptions, and material properties have been determined. In the light of this data, design of gearbox started with the creation of system kinematics using the KISSsys program. After that, the design and selection of gears, bearings, shafts, and other elements were studied using the KISSsoft program. Detailed information is given about input-output and parameters to be considered during the design phase, and criteria for the selection of bearings and other equipment are specified. In final phase, the gearbox casings have been designed in accordance with equipment specifications and the motor-propeller assembly interface. The requirement of commonality has been taken into consideration in all studies and the gearbox that can work pusher and tractor type propulsion system has been completed.