PROGETTO D'ESAME 2003
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PROGETTAZIONE DI UN AUTOVEICOLO
Le seguenti argomentazione hanno
valore in modo particolare per la progettazione industriale degli autoveicoli.La
progettazione artigianale infatti fa uso della sperimentazione manuale rispetto
all’approccio tecnologico.
Questo implica che il fine di questi due
approcci sia differente. Ciò che si modifica è la necessità di una produzione
su larga scala o di una produzione limitata(inferiore ai 10 modelli) per cui
ogni modello prodotto ha in realtà caratteristiche che lo distinguono dal
precedente.
Detto ciò si può sicuramente dire che a
livello industriale sono state sviluppate procedure assistite dal calcolatore
per la simulazione del comportamento del veicolo o di suoi componenti.
Indipendentemente dal metodo di approccio
utilizzato l’attività di progettazione deve riguardare le seguenti applicazioni:
1) Messa a punto di metodologie codificate per il progetto del cinematismo
di sterzo.
2)
Messa a punto di metodologie per l’analisi del comportamento di una vettura
durante una frenata in rettilineo.Viene cioè studiato lo scostamento dalla
traiettoria rettilinea durante la frenata che in generale è da attribuirsi
all’azione di un momento applicato al baricentro che genera una rotazione
attorno all’asse verticale del veicolo che,combinata con il moto longitudinale
dà luogo alla traiettoria curvilinea risultante.Il momento che si genera può
essere prodotto da varie cause fra cui la più rilevante per l’analisi qui
svolta è il verificarsi di scorrezioni asimmetriche delle sospensioni.
3)
Definizione e validazione di una metodologia per l’analisi del materiale
con cui vengono costruiti tutti i vari componenti.
4)
Messa a punto di metodologie per l’analisi sperimentale del cinematismo
di comando della frizione.
5)
Messa a punto di metodologie per il progetto e la verifica delle molle
degli ammortizzatori.
6)
Analisi a fatica dei componenti meccanici.
In questo ultimo
punto rientra in particolare l’ analisi a fatica sui bracci delle sospensioni
con l’obbiettivo di ottimizzare la scelta del materiale e di ridurre le verifiche
sperimentali attualmente necessarie durante la fase di progettazione.
A livello tecnologico tali metodi sono
stati implementati in un codice di calcolo
utilizzabile in progettazione. Tutto questo può permettere di capire
come anche la sola progettazione delle sospensioni è influenzata da tutti i
componenti meccanici che costituisco il cinematismo e la dinamica
dell’autoveicolo e come questa non si concluda con la scelta del materiale e
della geometria ma che sia satura di tutta la complessità di fattori che
costituiscono l’autoveicolo.
SISTEMA DI SOSPENSIONI CONVENZIONALE
Si può cercare di dare una definizione di
cosa sia una sospensione per poterne comprendere a fondo l’importanza nella
progettazione di una autovettura. Si intende per sospensione un insieme di
vincoli interposti fra due elementi meccanici allo scopo di renderli
indipendenti nei riguardi di limitati spostamenti reciproci, in direzioni
prefissate e prossime a quelle di equilibrio. In senso generale per la progettazione di una sospensione di un
autoveicolo si fa riferimento al cinematismo di un corpo con sospensione
elastica. Nelle sospensioni elastiche il corpo si protende verso al posizione
di equilibrio tutte le volte che una causa esterna ve lo allontani. Nella sua
schematizzazione più semplice per tale sospensione ogni spostamento lineare x è
soddisfatto dall’equazione differenziale omogenea d^2/dt^2+k/Mx=0 (con M massa in movimento e k costante elastica
della molla),in cui la pulsazione è data da w=(k/M)^1/2.Nel
campo automobilistico le sospensioni del veicolo hanno il compito di guida e di
controllo del movimento delle ruote,di cui debbono mantenere costanti la
geometria relativa e gli angoli caratteristici durante gli spostamenti indotti
dalle asperità stradali e dalle oscillazioni del telaio. Ovviamente è già da
questo chiaro che la scelta della sospensione indicata per ogni applicazione è
legata al tipo di veicolo, alla sua velocità, al peso gravante su ogni ruota al
fondo stradale e soprattutto alle caratteristiche dei pneumatici (come in
seguito verrà mostrato). Inoltre per il miglior confort di guida è opportuno
che la frequenza propria di oscillazione dell’intera sospensione (cioè
l’insieme di pneumatico-sospensione-sedile) non corrisponda a quella di
intollerabilità. Nonostante i vari tipi di sospensione che si possono trovare
in commercio (ricordiamo che nel campo automobilistico la più utilizzata è la
Mc Pherson a ruote indipendenti per l’avantreno) i fattori che più devono
essere tenuti in considerazione sono il mantenimento dell’assetto orizzontale
del veicolo controllando i moti di beccheggio e filtrando le perturbazioni ad
alta frequenza. Tali componenti meccanici devono perciò consentire di mantenere
costante o variare l’altezza da terra del veicolo a seconda delle condizioni di
carico, della pressione dinamica del vento,
della velocità e delle difficoltà stradali. Tale sistema quindi deve
avere come finalità ultima quella di mantenere il più possibile costante il
centro di rollio (Cx) della vettura potendo variare l’altezza da terra solo in
particolari condizioni limite di esercizio. Generalmente (cioè nel caso di
tutte le autovetture oggi prodotte) sia anteriormente sia posteriormente le
sospensioni sono a quadrilatero deformabile,con bracci in alluminio forgiato e
snodi rigidi integrati. Anche i porta mozzi anteriori e posteriori sono in
alluminio forgiato e l’impiego di questo materiale ha permesso di ridurre le
masse non sospese. Le sospensioni posteriori sono inoltre dotate di un
braccetto per la regolazione della convergenza ,detto “finto sterzo” e questa
soluzione garantisce un’elevata precisione del cinematismo (unitamente a un
elevato comfort di marcia,fattore non trascurabile nella produzione industriale
odierna). Nel momento in cui un progettista decide di realizzare un sistema di
sospensioni deve sempre avere presente che la geometria delle sospensioni
anteriori e posteriori deve incorporare le caratteristiche di “antidive” per
evitare l’affondamento dell’avantreno in frenata, e “antisquat” per impedire
l’effetto contrario,cioè l’abbassarsi del retrotreno in accelerazione. Si può
dunque comprendere perché questo sistema di sospensioni sia completato dalla
presenza anteriore e posteriore di due barre antirollio. La progettazione di un
sistema di sospensioni deve avere come fine ultimo la stabilizzazione dell’autoveicolo
a tutte le sollecitazioni che derivano dal suo movimento. Ecco perché quando si parla di sospensioni si parla
anche di ammortizzatori. Questi sono generalmente del tipo a gas con corpo in
alluminio,coassiali alle molle elicoidali con un eventuale sistema di
smorzamento controllato che agisce tramite un attuatore su ciascun
ammortizzatore. Inutile sottolineare che pensare alla realizzazione di un
sistema doppio di sospensioni anteriore (cioè predisposto per il montaggio di
quattro ruote anteriori) non sia stato spinto unicamente da questioni estetiche
ma soprattutto dalla necessità di risolvere questo tipo di problemi con
tecnologie sicuramente più complesse ma possibilmente più efficaci.
Non si può tralasciare che la
sicurezza è assieme alla qualità il campo di ricerca oggi più battuto nel
settore automobilistico. In particolare negli ultimi dieci anni si è assistito
ad un grande sforzo da parte dei costruttori nel miglioramento del comportamento
cinematico e dinamico del veicolo in condizioni limite (manovre di emergenza
e marcia su fondo stradale a bassa aderenza). E’ dunque chiaro che le caratteristiche
cinematico-dinamiche di un’autovettura sono passate in primo piano scavalcando
l’aspetto prestazionale. Le discipline che maggiormente impattano sul comportamento
stradale e quindi sulla sicurezza attiva della vettura sono quelle relative
ad aerodinamica e autotelaio,intendendo con quest’ultimo l’insieme di sospensioni
e trasmissione. Ricordiamo che a questo proposito il comportamento di una
vettura è legato in modo indissolubile alle caratteristiche dei pneumatici.
E’ infatti in base ai pneumatici che andrebbe progettato non solamente il
sistema di sospensioni ma l’intero autotelaio.
L’attendibilità di un modello matematico
di un autovettura è quindi legata al modello di pneumatico. La modellazione
dell’autotelaio è però complessa a causa delle marcate non linearità che ne
caratterizzano il funzionamento.
Per l’oggettiva difficoltà nel trattare
tali problemi in genere si scinde lo
studio della dinamica dell’ autovettura in due campi distinti:dinamica
orizzontale (handling) e dinamica verticale (ride).
HANDLING:
Tale modello è utilizzato per analizzare
la distribuzione del trasferimento del carico laterale, autentica chiave del
comportamento della vettura una volta assegnato il tipo di pneumatico. Abbinato
dunque al modello di pneumatico, il modello con rigidezze al rollio è
estremamente utile per impostare una corretta distribuzione dei pesi in base alle
caratteristiche del pneumatico stesso e definire le rigidezze di massima. Il
passo successivo consiste dunque nel tener conto delle caratteristiche
elastomeccaniche delle sospensioni. Non basta progettare accuratamente il
movimento puramente cinematico della sospensione, ma controllarne anche la
cedevolezza dovuta alle vibrazioni che, se non controllata opportunamente, può
avere conseguenze molto negative sul comportamento e sulla stabilità della
vettura in condizioni di moto critiche. Tutti i programmi di modellazione oggi
utilizzati per lo studio dell’elastocinematica delle sospensioni di tipo
tradizionale a quadrilatero consentono di mettere a punto le proprietà della
singola sospensione, ma non di analizzarne direttamente gli effetti sul
comportamento della vettura.
RIDE:
Con ride si intende la dinamica verticale
della vettura. Sono così realizzati modelli con cui è possibile studiare
l’effetto di non-linearità come le caratteristiche di ammortizzatori, molle,o
cinematismi a rigidezza progressiva.
CONTROLLI ATTIVI:
I modelli con controllo attivo si
rivelano molto utili per comprendere i reali limiti della dinamica e sperimentare le possibilità offerte dal
loro superamento (ad esempio con la Fiat si sta attualmente progettando una
strategia di controllo di una vettura a quattro ruote sterzanti dotata di
sensori predittivi in grado di leggere il coefficiente di aderenza del fondo
stradale).
Vengono così introdotte logiche di
controllo attivo integrate con l’uso di sensori predittivi , che sono in grado di
“leggere” con un certo anticipo il coefficiente di aderenza del fondo stradale.
Questo argomento non può essere considerato separato dalla progettazione delle
sospensioni di un auto veicolo che hanno il compito di garantire l’aderenza
della vettura al fondo stradale.
Tali nuovi sistemi danno in sostanza la
possibilità di ottimizzare il comportamento della vettura differenziando il
tipo di controllore utilizzato a seconda della risposta dei sensori ed adeguano
così le condizioni di marcia.
La trattazione che ora si sta svolgendo è
relativa a sistemi di produzione avanzati e industrializzati. È però importante
percorrere questa strada per rendersi conto non solo delle difficoltà ma anche
degli elementi più significativi che è necessario tenere in considerazione nel
momento in cui si progettano tutti quei sistemi attivi per la sicurezza della
vettura.
Così ad esempio consideriamo una
variazione del coefficiente di attrito del fondo stradale. Essa può significare
la differenza da una situazione di sicurezza a una condizione di instabilità e
quindi di pericolo.Pertanto risulta necessario conoscere come il coefficiente
di attrito varia con le condizioni fisiche del terreno quali la
rugosità,l’umidità,la presenza di acqua e di ghiaccio. Le nuove tecnologie industriali
hanno dunque permesso di costruire sensori che permettano di ottenere informazioni predittive per gestire
attivamente le situazioni di pericolo.
I tipi di sensori che si sta cercando di
sviluppare sono:
-
sensore di presenza di acqua basato sulla
riflessione
-
misura della profondità dello strato di
acqua mediate assorbimento a infrarosso
-
sensore di presenza di ghiaccio
-
rilevazione della rugosità superficiale
Attraverso le informazioni acquisite da questi meccanismi si è
reso necessario lo sviluppo di un modello che tenesse in conto a livello della
progettazione dei sistemi di sospensioni e ammortizzatori:
-il trasferimento del carico laterale
-le caratteristiche reali dei pneumatici
(importantissime per la scelta della sospensioni) mediante modello non lineare
-variazione del coefficiente di aderenza
tra pneumatico - manto stradale
Alla luce dei risultati sperimentali
ottenuti da questi studi se ne è verificata la loro efficacia.Infatti già
controlli di questo tipo (4WS) evidenziano un netto miglioramento della vettura
anche in una delle situazioni più critiche che si possono presentare.
L’obbiettivo da raggiungere è dunque quello di allontanare la vettura
dall’instabilità in modo consistente.
FUNZIONAMENTO
E RUOLO DEGLI AMMORTIZZATORI
Infine è giusto considerare anche le
caratteristiche relative agli ammortizzatori che sono i primi elementi
meccanici che risentono della progettazione delle sospensioni. Il
“duo”molla-ammortizzatore ha il compito di assorbire le asperità del fondo
stradale,mantenendo elevato il livello del confort a bordo della vettura ma
soprattutto,evitando eccessivi e bruschi movimenti della scocca che si
ripercuotono negativamente sia in termini di tenuta di strada che di stabilità.
Quello che fa la molla è facilmente intuibile, ma altrettanto non si può dire
dell’ammortizzatore. L’elemento elastico,in presenza di buche o dossi, protegge
la scocca dai colpi (soprattutto in presenza di grosse escursioni),ma continua
poi ad oscillare inutilmente,comprimendosi ed estendendosi per un certo tempo
prima di fermarsi.Arrestare l’inutile “balletto” è compito
dell’ammortizzatore,che è un freno vero e proprio per la molla. L’energia
immagazzinata dalla molla a seguito dell’urto contro la sconnessione è
dissipata da questo “freno”,sfruttando l’attrito che permette di ridurre
velocemente sia l’entità che l’ampiezza delle oscillazioni. Senza gli
ammortizzatori dunque, una vettura non avrebbe possibilità di controllo in
curva,se non a bassissima velocità,perché l’auto inizierebbe a saltare dondolando
frontalmente,posteriormente e lateralmente perdendo completamente l’aderenza al
fondo stradale. La risposta delle molle è lineare sia in compressione che in
estensione,mentre si comporta differentemente a seconda del verso della
sollecitazione : con maggior vigore in estensione (è il caso delle buche) e più
cedevolmente in compressione (in presenza di dossi). Infatti la vettura, che
poggia il proprio peso sulle quattro ruote,carica ogni molla con all’incirca un
quarto del suo peso totale. In fase quindi di modellazione dell’apparato
sospensioni-ammortizzatori si può ipotizzare che se le sospensioni anteriori
sono doppie su di esse si scaricherà all’incirca un ottavo del peso complessivi
della vettura(ovviamente sempre considerando che il legame sia di tipo
lineare). Gli ammortizzatori più rigidi rendono la vettura certamente più
precisa, ma anche più reattiva alle sollecitazioni.In sostanza aumenta la
tenuta e la stabilità, ma bisogna essere più veloci e precisi nel correggere le
reazioni della vettura. Un esempio che possa permettere di capire quanto detto
sono i rapporti di compressione-estensione realizzati per macchine da pista e
macchine da rally:per le prime il rapporto è di circa 1 a 3 mentre per le
seconde è 1 a 2 (questo tipo di competizioni è comunque troppo particolare ed
estremo per poter essere preso come riferimento per la progettazione di
macchine di serie prodotte su scala industriale). Generalmente si cerca di
utilizzare molle dure su ammortizzatori ben frenati e viceversa, altrimenti si rischia
di non far lavorare chi tra i due è più morbido. Gli ammortizzatori odierni
sono generalmente idraulici, in quanto sfruttano l’effetto smorzante generato
dalla viscosità dell’olio.
In pratica un comune ammortizzatore
oleopneumatico è costituito da un cilindro, riempito di un liquido in
pressione, all’interno del quale scorre un pistone su cui sono ricavati una
serie di piccoli fori. L’attrito che si viene a creare è dovuto al passaggio
del liquido da una parte all’altra della camera dell’ammortizzatore. La
temperatura all’interno dell’ammortizzatore, nell’utilizzo gravoso, può
raggiungere anche più di 100 gradi, rendendo molto fluido l’olio ed esponendolo
al rischio di ebollizione.Per evitare l’ebollizione è sufficiente aumentare la
pressione esterna.