AREE DI APPROFONDIMENTO

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1 AREE DI APPROFONDIMENTO 1. Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore 2. La linea di scarico nel vano motore 3. La linea di aspirazione nel vano motore 4. Installazione dei radiatori 5. Sopportazione del gruppo motopropulsore 6. Sicurezza e protezione 1

2 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore Posizionamento del centro differenziale (rispetto al centro ruota) Contenimento temperature giunti semiassi Contenimento valori massimi degli angoli di lavoro dei giunti in condizioni di tamponamento e rimbalzo Contenimento angolo di lavoro del giunto sotto coppia (allineamento statico in pianta) Posizionamento del centro motore Definizione dell OFFSET del cambio (= differenza in Z tra centro motore e centro differenziale) in funzione di: Altezza minima da terra Spazio disponibile sotto cofano motore Corretta lubrificazione degli organi di motore e cambio 2

3 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore Posizionamento del centro differenziale rispetto all asse ruota con evidenza degli angoli di lavoro dei giunti dei semiassi. 3

4 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore Posizionamento del centro differenziale rispetto all asse ruota con evidenza degli angoli di lavoro dei giunti dei semiassi. 4

5 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore Posizionamento del centro differenziale rispetto all asse ruota con evidenza degli angoli di lavoro dei giunti dei semiassi. 5

6 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore offset Offset tra centro motore e centro differenziale 6

7 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore Inclinazione in elevazione motore (α) Scelta condizionata da garanzia su luci nei confronti dei componenti vano motore, tenendo conto degli scuotimenti sui tasselli Inclinazione in trasversale vettura (β) Inclinazione in pianta vettura (γ) Entrambi gli angoli sono generalmente nulli a meno della necessità di diminuire l angolo di lavoro dei giunti del semiasse più corto (casi di assenza dell albero intermedio) 7

8 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore trasversale trazione anteriore side view rear view top view α front front A A γ β A Angoli caratteristici motore nelle varie viste di una configurazione anteriore-trasversale. 8

9 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motopropulsore anteriore longitudinale trazione posteriore Posizionamento guidato della geometria del differenziale, generalmente: Asse del pignone della coppia conica più basso del centro differenziale per contenere l ingombro dell albero di trasmissione verso l abitacolo Asse motore inclinato lato volano per allineare l albero di trasmissione e garantire le distanze minime da terra Possibile inclinazione nella vista frontale lato scarico; per acquisire spazio nella parte fredda del vano motore. 9

10 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Obiettivi generici del posizionamento motore Evitare contatti nelle condizioni di maggiore escursione relativa del motopropulsore rispetto alla scocca Mantenere distanze adeguate per protezione da surriscaldamenti e da rischio incendi di componenti installati nel vano motore Consentire uno sviluppo ottimale (Prestazioni Comfort) delle linee di aspirazione e scarico motore Garantire il superamento di ostacoli comuni. 10

11 Installazione motore nel veicolo Approfondimento su logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore 1/3 Il posizionamento del gruppo motopropulsore, motore e cambio, all interno del veicolo deve assolvere la funzione primaria della trasmissione ottimale del moto alle ruote. A questo fine si analizza lo schema procedurale per le due configurazioni maggiormente diffuse di motopropulsore anteriore trasversale con trazione anteriore e di motopropulsore anteriore longitudinale con trazione posteriore. Motopropulsore anteriore trasversale - trazione anteriore Il processo di posizionamento del gruppo motopropulsore può essere schematizzato come di seguito indicato. Posizionamento del centro differenziale: si sceglie la posizione rispetto al centro ruota che mantenga entro limiti accettabili le temperature di funzionamento dei giunti dei semiassi e che contenga i valori massimi dei loro angoli di lavoro in condizione di tamponamento e rimbalzo (vedi fig.). Anche in pianta conviene orientarsi verso una posizione staticamente allineata: ad esempio se si vuole ridurre l angolo di lavoro dei giunti sotto coppia, è necessario avanzare il centro differenziale perché in tali condizioni la ruota avanza in dipendenza della geometria della sospensione e dell elasticità dei tasselli. Posizionamento del centro motore: si sceglie il valore da assegnare all OFFSET del cambio, ossia alla differenza in Z tra centro motore e centro differenziale (vedi fig.); ovviamente occorre tenere conto dell altezza minima da terra richiesta (in funzione del tipo di veicolo, delle caratteristiche delle sospensioni e dei pneumatici e dello spazio disponibile sotto il cofano motore. Occorre quindi verificare che il valore dell offset del cambio sia entro i limiti che ne garantiscano una corretta lubrificazione: infatti lo spostamento in Z del motore viene visto dal cambio come una rotazione attorno al centro differenziale, con conseguente variazione delle condizioni di pescaggio dell olio da parte degli ingranaggi o della pompa ausiliaria. Inclinazione in elevazione motore ( nello schema di fig.): la scelta è dettata dall esigenza di ottenere le luci necessarie a evitare contatto tra i vari componenti presenti nel vano motore tenendo conto degli scuotimenti sui tasselli. Sono però necessarie alcune verifiche: sulla funzionalità delle discese olio dalla testa cilindri (non deve ristagnare olio soprattutto nella zona delle punterie, dei paraolio delle valvole e allo scarico dell eventuale depressore) e dall eventuale turbocompressore; sulla funzionalità del circuito di separazione dei gas di blow-by; sulla posizione assunta dall intercapedine acqua della testa, al fine di evitare zone di ristagno o di accumulo vapore; sulla posizione relativa tra la gonna del basamento e il semiasse, che può limitare l inclinazione minima assunta dal motore (vedi fig.). Inclinazione in trasversale vettura ( nello schema di fig.): normalmente è nulla, ma nel caso in cui non sia presente un albero intermedio e di conseguenza i semiassi abbiano lunghezza diversa, si può impennare leggermente il motore alzandolo lato distribuzione in modo da diminuire l angolo di lavoro dei giunti del semiasse più corto uniformando il loro modo di lavorare verso le due ruote. Analogamente ci si può comportare in pianta ( nello schema di fig). 11

12 Approfondimento su logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore 2/3 Motore anteriore longitudinale - trazione posteriore. In questa configurazione il posizionamento è guidato dalla geometria del differenziale: spesso nelle autovetture per la coppia conica finale sono usate coppie di ruote dentate ipoidi, con l asse del pignone che esce più basso del centro differenziale per minimizzare l ingombro dell albero di trasmissione verso l abitacolo. Per rispettare i requisiti di altezza minima da terra del motore e allineare l albero di trasmissione, normalmente l asse motore è inclinato con il volano posto più in basso rispetto alle pulegge anteriori. In taluni casi il motore è inclinato anche nella vista frontale, con il lato scarico più basso. Il ricorso a inclinazioni in pianta dell asse motore non è invece di solito necessario, mentre era largamente in uso, associato ad un montaggio asimmetrico del motore, nei veicoli sportivi degli anni 50 per consentire il passaggio dell albero di trasmissione a fianco del sedile del pilota. Problematiche generali Una volta definiti i punti e la tipologia di sopportazione, di cui si tratterà diffusamente nel capitolo successivo, il posizionamento del gruppo motopropulsore all interno del vano motore deve perseguire ulteriori obiettivi fondamentali, quali: evitare contatti nelle condizioni di maggiore escursione relativa del gruppo stesso; mantenere distanze adeguate per protezione da surriscaldamenti o da rischio di incendi dei vari sistemi e componenti installati nel vano motore; consentire uno sviluppo ottimale dei sistemi di aspirazione e scarico motore, determinante per la prestazione e la rumorosità del motore; garantire il superamento di ostacoli comuni. Risulta evidente che tutte queste problematiche sono amplificate nel caso più diffuso di motore installato trasversalmente con trazione sulle ruote anteriori, in quanto lo spazio all interno del vano motore è limitato in direzione longitudinale da obiettivi di ingombro e peso, tipici dell architettura, in direzione trasversale dalle dimensioni del motopropulsore stesso, ed in quella verticale dalle esigenze stilistiche e di ottimizzazione del coefficiente di penetrazione aerodinamico del frontale veicolo. Sempre nella più critica architettura trasversale a trazione anteriore, due sono le principali variabili su cui si può agire già in fase di impostazione del progetto motore per ottimizzarne l installazione in una famiglia di veicoli: il posizionamento dello scarico nella testa motore, anteriore o posteriore rispetto alla direzione di marcia del veicolo, e l inclinazione rispetto alla verticale. 12

13 Approfondimento su logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore 3/3 Lo scarico posizionato anteriormente nella testa ha il vantaggio di essere raffreddato dall ingresso d aria nel vano motore e quindi di consentire una installazione quasi verticale, non avendo ingombri nella parte posteriore inferiore, con conseguente riduzione di lunghezza del frontale del veicolo. Tuttavia la configurazione presenta alcune problematiche, la soluzione delle quali è sempre molto complessa, quali: il superamento dell ostacolo motore e della traversa anteriore da parte della tubazione di scarico per il collegamento con la parte sottopianale che include il catalizzatore ed i silenziatori; il volume contenuto del catalizzatore principale quando ubicato nel vano motore (closed couple); la distanza eccessiva dal motore del catalizzatore principale quando ubicato sotto il pianale. Il primo problema viene generalmente risolto con la tubazione di scarico che attraversa il motore nella parte inferiore tramite uno scanso nella coppa, definendo quindi un compromesso tra il diametro della tubazione, che influenza le prestazioni, e le dimensioni dello scanso, che può rendere critica l alimentazione di lubrificante agli organi motore nelle condizioni di impiego limite (livello lubrificante in coppa inferiore al minimo ed elevate accelerazioni trasversali del veicolo). Le altre due limitazioni richiedono una messa a punto piuttosto complessa del sistema di controllo delle emissioni e tendenzialmente comportano un carico superiore di metalli preziosi nel catalizzatore. Nelle varie figure si riporta la complessa installazione di una motorizzazione con turbocompressore, con pre-catalizzatore a valle dello stesso, da cui si può notare il passaggio della tubazione di scarico al di sotto dei semiassi e quindi lo scavalcamento della scatola guida prima di ricongiungersi con lo scarico sotto il.pianale. Nella vista dal basso della figura si può vedere l attraversamento tramite lo scanso nella coppa e la protezione inferiore per lo scarico e la coppa stessa. 13

14 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Vantaggi Scarico anteriore Raffreddamento collettore scarico ed eventuali catalizzatori nel vano motore Modesto ingombro longitudinale veicolo per la possibilità di installazione con modesta inclinazione in elevazione (α quasi nullo). Svantaggi Difficoltà attraversamento motore per collegamento con lo scarico sotto il pianale Modesto spazio per il catalizzatore principale, quando installato nel vano motore (Closed Couple Catalyst) Distanza eccessiva dalla testa motore del catalizzatore principale, quando installato sotto pianale 14

15 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Motore trasversale con scarico anteriore (vista laterale) 15

16 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Motore trasversale con scarico anteriore (vista posteriore) 16

17 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Motore trasversale con scarico anteriore (vista inferiore) 17

18 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Distanze motore dalle parti fisse veicolo con inclinazione motore di 12.5 rispetto alla verticale 18

19 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale L.O.VIRTUALE - S.Lunardi Distanze motore dalle parti fisse veicolo con inclinazione motore di 12.5 rispetto alla verticale 19

20 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Distanze motore dalle parti fisse veicolo con inclinazione motore di 17.5 rispetto alla verticale. 20

21 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Distanze motore dalle parti fisse veicolo con inclinazione motore di 17.5 rispetto alla verticale. 21

22 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Vantaggi Scarico posteriore Semplificazione layout scarico nel vano motore Migliore efficienza e minor costo del sistema di post-trattamento dei gas di scarico Svantaggi Maggiori temperature nella parte posteriore del vano motore con necessità di maggiore protezione Maggiore ingombro in senso longitudinale per la necessità di inclinare il motore verso la direzione di marcia Maggiore complessità di installazione di un turbocompressore 22

23 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Motore turbodiesel con scarico posizionato posteriormente nella testa e tubazione verso la parete parafiamma 23

24 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore trasversale Motore turbodiesel con scarico posizionato nella parte anteriore della testa e tubazione che attraversa la coppa 24

25 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore longitudinale Vista superiore di studio di installazione motore 5 cilindri in linea in configurazione longitudinale 25

26 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore longitudinale Vista inferiore di studio di installazione motore 5 cilindri in linea in configurazione longitudinale 26

27 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Motore anteriore longitudinale Vista posteriore lato accessori di studio di installazione motore in configurazione longitudinale 27

28 1 Logiche di posizionamento del gruppo motopropulsore Layout inferiore del gruppo motopropulsore Condizioni critiche Carico massimo (passeggeri + 10 Kg per pass.) Diametro minimo del pneumatico previsto Situazioni da soddisfare Superamento ostacolo generico garantendo una luce minima da terra di mm nella parte inferiore veicolo Accostamento gradino (h = 160 mm) fino al contatto senza deformazione del pneumatico Superamento rampa (angolo = 15 ) senza interferenza con la parte inferiore del veicolo 28

29 2 La linea di scarico nel vano motore HOT END Collettore e turbocompressore prestazioni Catalizzatore e filtro particolato emissioni COLD END Silenziatori (volumi e tecnologia) comfort 29

30 2 La linea di scarico nel vano motore Esigenze dei motori a benzina Configurazione collettore per ottimizzare la curva di coppia: diametro condotto, distanza dalla testa del primo nodo ed anche del secondo Volume catalizzatore adeguato: equivalente alla cilindrata motore, ottimizzazione flusso di ingresso Inerzia termica a monte del catalizzatore: la minima possibile per accelerare il warm-up del catalizzatore 30

31 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di catalizzatore principale installato nel vano motore 31

32 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di catalizzatore principale installato nel vano motore 32

33 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di due catalizzatori principali installati nel vano di un motore a 4 cilindri con elevate prestazioni 33

34 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di due catalizzatori principali installati nel vano di un motore a 4 cilindri con elevate prestazioni 34

35 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di due pre-catalizzatori nel vano motore e catalizzatore principale sotto il pianale 35

36 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di due pre-catalizzatori nel vano motore e catalizzatore principale sotto il pianale 36

37 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di scarico longitudinale per motore sei cilindri con doppio sistema di scarico: due precatalizzatori nel vano motore e due principali sotto il pianale 37

38 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di scarico longitudinale per motore sei cilindri con doppio sistema di scarico: due precatalizzatori nel vano motore e due principali sotto il pianale 38

39 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di impianto di scarico sdoppiato per motore 6 cilindri a V installato trasversalmente 39

40 2 La linea di scarico nel vano motore Esigenze dei motori Diesel Progetto (geometria) del collettore Adeguata fluidodinamica all ingresso del turbo Ridotte sollecitazioni termiche Volume catalizzatore cilindrata motore Posizionamento catalizzatore Immediatamente a valle turbina 40

41 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di catalizzatore a valle del turbo di un motore diesel ad iniezione diretta 41

42 2 La linea di scarico nel vano motore Esempio di catalizzatore a valle del turbo di un motore diesel ad iniezione diretta 42

43 2 La linea di scarico nel vano motore Installazione del catalizzatore nel vano limitato di un motore diesel ad iniezione diretta di piccola cilindrata 43

44 2 La linea di scarico nel vano motore Installazione del catalizzatore nel vano limitato di un motore diesel ad iniezione diretta di piccola cilindrata 44

45 3 La linea di aspirazione Composizione Punto di prelievo dell aria esterna Linea di collegamento alla scatola filtro (aria sporca) Scatola con elemento filtrante Linea di collegamento al collettore di aspirazione motore (aria pulita) Tubazione Blow-by Principali obiettivi Attenuazione della emissione acustica dalla bocca motore e dalle pareti della linea Totale filtrazione delle impurità presenti nell aria esterna Contributo positivo alle prestazioni del motore 45

46 3 La linea di aspirazione Elemento Filtrante Aria Pulita Corpo Filtro Punto di prelievo aria esterna Aria Sporca Composizione di una linea di aspirazione 46

47 3 La linea di aspirazione Dimensionamento capacità per attenuazione emissione acustica l/l cilindrata Risonatori Tecnologia/costo Dimensionamento elemento filtrante funzione di Portata media di attraversamento (cilindrata) Livello di polveri presenti (profilo di missione) Intervallo di sostituzione 47

48 3 La linea di aspirazione SERVICE INTERVAL (Km) Life (Km) ,4 0,6 0,8 1 3 Dust concentration (mg/m ) 1,2 1,4 0,5 0,7 0,9 1,5 1,3 1,1 2 Filtering surface (m ) Esempio di relazione tra superficie filtrante, tipologia di aria in ingresso e percorrenza prima della sostituzione cartuccia. (Portata Aria 220 m 3 /h) 48

49 3 La linea di aspirazione Esempio di filtro aria a bordo motore 49

50 3 La linea di aspirazione Esempio di installazione filtro aria a bordo motore 50

51 3 La linea di aspirazione Esempio di filtro aria a bordo scocca 51

52 3 La linea di aspirazione Esempio di filtro aria a bordo scocca per un motore turbo-diesel 52

53 3 La linea di aspirazione Esempio di filtro aria a bordo scocca installato in vettura 53

54 3 La linea di aspirazione La minimizzazione delle perdite di carico Effetto teorico della pressione nel collettore sulla potenza motore 54

55 3 La linea di aspirazione L ottimizzazione del riempimento Effetto teorico della pressione nel collettore sulla potenza motore 55

56 3 La linea di aspirazione La temperatura dell aria aspirata Effetto teorico e pratico su due diversi motori della temperatura aria aspirata sulle prestazioni 56

57 Il punto di prelievo dell aria di aspirazione Il punto di prelievo dell aria di aspirazione si presenta fondamentale per una corretta funzionalità del motopropulsore: la temperatura dell aria di aspirazione deve risultare prossima, al limite identica, a quella dell ambiente esterno. Infatti l aumento di temperatura riduce la massa d aria all ingresso motore, ed aumenta la sensibilità alla detonazione nei motori a benzina, con una penalizzazione prestazionale teorica anche di circa 20 CV per una escursione limite di 60 C (vedi fig.); in pratica poi tali differenze possono essere dimezzate in funzione dell impostazione e del livello di ottimizzazione del progetto motore. E quest ultima una tematica specifica di grande rilevanza della progettazione del layout di installazione: di fatto risulta molto complessa per la difficoltà a collocare la presa aria in una zona esterna, possibilmente sfruttando anche la dinamica, senza incorrere nella problematica di imbarcamento acqua nella marcia in scia o nell attraversamento di modesti guadi. In genere si cerca di individuare una collocazione all esterno della struttura che delimita il vano motore, sempre ad un altezza da terra superiore ad almeno 1 metro, ad esempio inferiormente al faro anteriore (vedi fig.), perdendo i benefici dell effetto dinamica, o meglio sul frontale (vedi fig.) proteggendo con eventuali tegolini l ingresso da spruzzi di acqua nella direzione di marcia. Inoltre il percorso della linea di aspirazione all interno del vano motore deve esser protetto da ogni possibile fonte di riscaldamento per evitare, specie ai bassi giri motore, di vanificare il beneficio ai fini riempimento motore di un corretto posizionamento del punto di prelievo aria fresca. Merita un cenno, infine, la installazione del misuratore di portata d aria (o debimetro), per l importanza che riveste nelle strategie di controllo delle emissioni, soprattutto per i motori turbodiesel. Esso è collocato in aria pulita, in posizione tale da minimizzare l influenza della componente dinamica sulla lettura della portata in massa; a tale scopo si ha cura di mantenere un tratto di manicotto rettilineo a monte e a valle pari ad almeno due volte il diametro (soluzione tubo-tubo); in alternativa, il debimetro viene inserito direttamente in uscita dalla scatola filtro (soluzione flangia-tubo), che agisce come stabilizzatore di flusso, superando così il vincolo del tratto rettilineo a valle. L elemento sensibile del misuratore è soggetto a rapido degrado, se non adeguatamente protetto da eventuale contaminazione di acqua e olio; a tal fine, si colloca a distanza adeguata dal tubo sfiato vapori olio (blow-by), si garantisce inoltre la tenuta all acqua degli accoppiamenti in aria pulita e infine si evita adeguatamente il fenomeno di imbarcamento acqua. 57

58 3 La linea di aspirazione Esempio di punto di prelievo della linea di aspirazione collocato inferiormente al faro anteriore 58

59 3 La linea di aspirazione Esempio di punto di prelievo della linea di aspirazione collocato in area dinamica sul frontale vettura all esterno del vano motore 59

60 3 La linea di aspirazione Installazione debimetro Debimetro Scatola filtro aria Ingresso compressore Connessione blow-by Esempio di installazione debimetro flangia-tubo Esempio di installazione debimetro tubo-tubo; si noti la posizione della connessione blow-by tra debimetro e ingresso compressore 60

61 4 Installazione dei radiatori Scambiatori da installare radiatore per il raffreddamento refrigerante motore (water cooler) radiatore per il raffreddamento dell olio motore (engine oil cooler) radiatore per il raffreddamento dell olio del cambio (transmission oil cooler) radiatore per il raffreddamento dell aria di carica motore (intercooler) condensatore del fluido di condizionamento dell abitacolo (AC condenser) Definizione del layout della sopportazione scambiatori dei passaggi aria 61

62 4 Installazione dei radiatori Il gruppo motopropulsore ed il sistema di condizionamento del veicolo richiedono l installazione di un certo numero di radiatori nell area frontale del veicolo, che nel caso più complesso possono arrivare a cinque: radiatore per il raffreddamento del fluido refrigerante motore; radiatore per il raffreddamento dell olio motore, quando non è previsto uno scambiatore acqua-olio a bordo motore; radiatore per il raffreddamento dell olio del cambio, generalmente necessario nelle applicazioni con cambio automatico; radiatore (intercooler) per il raffreddamento dell aria di carica motore per le versioni sovralimentate (presente nella quasi totalità dei motori diesel ad iniezione diretta per uso automobilistico); condensatore del fluido dell impianto di condizionamento dell abitacolo. In applicazioni particolari a questo già elevato numero si possono ancora aggiungere gli scambiatori per il raffreddamento dell olio della idroguida e per il raffreddamento del gasolio. L installazione di un numero così elevato di pacchi radianti nell area anteriore del veicolo pone una serie di problematiche complesse per garantire un corretto equilibrio tra l efficienza degli impianti stessi e le dimensioni del veicolo, contenendone i costi. Sono essenzialmente tre le aree tecniche da affrontare: la scelta del layout ottimale per la specifica applicazione; la sopportazione dei pacchi radianti e del gruppo elettroventilatore per garantire l affidabilità ed il comfort; la definizione dei passaggi aria per ottimizzare l efficienza. Per il layout di installazione dei pacchi radianti sono possibili diverse soluzioni in funzione degli obiettivi prestazionali del veicolo, delle dimensioni longitudinali e trasversali del vano anteriore, del progetto stilistico del frontale e del cofano anteriore, ed infine degli obiettivi di costo. Nel caso più complesso di cinque pacchi radianti esistono teoricamente sei alternative di layout che vengono di seguito indicate analizzandone i relativi vantaggi e svantaggi. Il gruppo concettualmente comune alle sei alternative, anche se con dimensionamenti diversi, è composto da quello che viene chiamato il modulo base frontale che include: il condensatore dell impianto di condizionamento; il radiatore per il raffreddamento dell acqua motore; il gruppo elettroventilatore. Le variabili riguardano l installazione dei radiatori olio motore, olio cambio e dell intercooler. 62

63 4 Installazione dei radiatori Scelta del layout Modulo base condensatore radiatore gruppo elettroventilatore Radiatori olio motore e cambio 2 opzioni esterni al modulo base integrati all interno del radiatore acqua (in-tank / scarsamente utilizzati) Intercooler 3 opzioni box type esterno al modulo base box type di fronte al modulo base full face type tra condensatore e radiatore 63

64 4 Installazione dei radiatori 1 2 Intercooler Radiatore olio motore Radiatore olio cambio 3 64

65 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 1 intercooler: box type esterno radiatore olio cambio: in - tank radiatore olio motore: esterno condensatore: std 12 mm Vantaggi radiatore acqua di minori prestazioni/costo gruppo elettroventola di minori prestazioni/costo dimensioni minime del modulo base Svantaggi modeste prestazioni dell intercooler a basse velocità modeste prestazioni del radiatore olio a bassa velocità elevata perdita di carico del circuito olio cambio 65

66 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 1 66

67 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 2 intercooler: box type frontale radiatore olio cambio: in - tank radiatore olio motore: esterno condensatore: medio 18 mm Vantaggi elevate prestazioni dell intercooler a bassa ed alta velocità veloce warm-up dell olio cambio Svantaggi modeste prestazioni del radiatore olio a bassa velocità elevata perdita di carico della linea aria motore elevata perdita di carico del circuito olio cambio modesta efficienza del condensatore 67

68 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 2 68

69 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 3 intercooler: box type frontale radiatore olio cambio: esterno radiatore olio motore: esterno condensatore: medio 18 mm Vantaggi elevate prestazioni dell intercooler a bassa ed alta velocità radiatore acqua di minor prestazioni/costo gruppo elettroventola di minor prestazioni/costo Svantaggi lento warm-up dell olio motore e cambio elevata perdita di carico della linea aria motore modesta efficienza del condensatore pesi e costi elevati 69

70 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 3 70

71 4 Installazione dei radiatori 4 5 Radiatore olio motore Intercooler Radiatore olio cambio 6 71

72 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 4 intercooler: full face radiatore olio cambio: in - tank radiatore olio motore: in - tank condensatore: std 12 mm Vantaggi elevate prestazioni dell intercooler a bassa ed alta velocità bassa perdita di carico della linea aria motore veloce warm-up dell olio cambio Svantaggi elevato carico termico del radiatore gruppo elettroventilatore di prestazioni elevate elevata perdita di carico delle linee olio motore e cambio elevati ingombri e peso del modulo costo dell intercooler e del radiatore olio motore 72

73 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 4 73

74 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 5 intercooler: full face radiatore olio cambio: in - tank radiatore olio motore: esterno condensatore: std 12 mm Vantaggi elevate prestazioni intercooler a bassa ed alta velocità bassa perdita di carico della linea aria motore veloce warm-up dell olio cambio minore carico termico del radiatore acqua Svantaggi modeste prestazioni radiatore olio motore a bassa velocità elevata perdita di carico delle linee olio motore e cambio elevati ingombri e dimensioni del modulo costo dell intercooler 74

75 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 5 75

76 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 6 intercooler: full face radiatore olio cambio: esterno radiatore olio motore: esterno condensatore: std 12 mm Vantaggi elevate prestazioni intercooler a bassa ed alta velocità bassa permeabilità della linea aria motore radiatore acqua di minori prestazioni/costo gruppo elettroventola di minori prestazioni/costo Svantaggi modesta prestazione a bassa velocità dei radiatori olio motore e cambio lento warm-up olio motore e cambio peso e costo del sistema 76

77 4 Installazione dei radiatori Conclusioni Ovviamente non esiste la soluzione ottimale, se non in funzione degli obiettivi specifici di progetto e delle condizioni al contorno. Tuttavia, tentando di semplificare al massimo, si può delineare uno scenario del seguente tipo. Per le vetture dei segmenti inferiori del mercato, dove si privilegia l economia e quindi la semplicità, prevale l impiego di layout del tipo 1 o 2 ulteriormente semplificato. Non ci sono infatti in genere radiatori olio data l assenza del cambio automatico ed il diffuso utilizzo del più economico radiatore acqua-olio motore; Per le vetture di classe superiore, con elevata presenza di cambio automatico, la complessità e le dimensioni del motore richiedono soluzioni di layout con intercooler full face, del tipo da 4 a 6; Per le vetture con obiettivi prestazionali, si privilegia l efficienza dell intercooler, per cui l assenza del cambio automatico, e quindi del relativo scambiatore olio, porta a layout semplificati del tipo 4 o 5, con preferenza per quest ultimo. 77

78 4 Installazione dei radiatori Layout tipo 6 78

79 4 Installazione dei radiatori Sopportazione del modulo base Obiettivi: Contenere la trasmissione di vibrazioni verso le strutture dell autotelaio Smorzare l eccitazione verso se stesso provenienti dalla strada Proteggere il modulo da urti a bassa velocità. Tipologia: Fissaggio a due traverse, superiore ed inferiore Integrazione nella struttura portante anteriore del veicolo 79

80 4 Installazione dei radiatori Sopportazione del modulo base 3 punti di fissaggio (uno superiore e due inferiori o viceversa), la cui disposizione è principalmente condizionata dalle logiche di assemblaggio in stabilimento; con grandi dimensioni si utilizzano anche 4 fissaggi simmettrici. Punti di fissaggio Esempio di modulo con fissaggio alle traverse 80

81 4 Installazione dei radiatori Sopportazione del modulo base Punti di fissaggio Nel caso di integrazione del modulo nel front-end le modalità di fissaggio dipendono dalla tipologia dello stesso e possono essere sia verticali sia orizzontali. Esempio di modulo integrato nella struttura frontale del veicolo. 81

82 4 Installazione dei radiatori Sopportazione del modulo base Fissaggio a forcella Fissaggio inferiore La sopportazione del modulo deve garantire un adeguato disaccoppiamento dall autotelaio per cui il fissaggio è generalmente costituito da un piedino di plastica, piantato nella vaschetta del radiatore, collegato a parti dell autotelaio tramite un elemento elastico. 82

83 4 Installazione dei radiatori Installazione motore nel veicolo Sopportazione del modulo base Definizione rigidezza dei tasselli (Sistema oscillante ad un grado di libertà) k y k x y k y k x y k y σ y k y semplificando k y k y 2 d y m 2 dt dv d y + σ y + k y y = Fy cosωt m + 3k y y = Fy cosωt 2 dt dt 2 dove m = massa modulo σ y = smorzamento dei tasselli k y = rigidezza dei tasselli F y = forzante causata da sbilanciamento statico dell elettroventola 83

84 4 Installazione dei radiatori Diagramma Forza-Deformazione Forza [N] Deformazione [mm] Diagramma forza-deformazione di un tassello tipico. Si può notare come l andamento non sia lineare, ma abbia due differenti pendenze : infatti, utilizzando la prima pendenza anche per grossi spostamenti, dovuti ad esempio alle asperità stradali e non allo sbilanciamento dell elettroventola, si rischierebbe il contatto del modulo di raffreddamento con le traverse o con altri organi circostanti. Per questo motivo il tassello è progettato a maggior rigidezza per grandi spostamenti. 84

85 4 Installazione dei radiatori Definizione dei passaggi aria Transito aria necessario per: Massima efficienza scambiatori Asportazione calore dalle fonti presenti all interno del vano motore Ingressi sul frontale veicolo Percorsi all interno del vano motore Uscite dalla parte inferiore del veicolo 85

86 4 Installazione dei radiatori Ingressi sul frontale veicolo Posizionamento delle prese aria Sovrapposizione delle prese con gli scambiatori Zone di massima pressione dinamica Adeguate sezioni di passaggio 20 50% area scambiatori (funzione di intubamento) Sigillatura degli spazi (intubamenti) tra scambiatori e pareti periferiche Evitare perdite o ricicli 86

87 Ingressi sul frontale veicolo Tale zona ha il compito di prelevare l aria ambiente dall esterno del veicolo e trasportarla al vano motore attraversando gli scambiatori per il raffreddamento dei vari fluidi (vedi fig.). Nella progettazione del layout vengono quindi applicati i seguenti criteri pratici: posizionamento delle prese per il passaggio aria nelle zone di massima pressione dinamica generata dal moto del veicolo, diretta sovrapposizione delle prese per il passaggio aria con gli scambiatori di calore, adeguate sezioni di passaggio delle prese aria, dal 20% fino al 50% dell area frontale degli scambiatori di calore, a seconda delle reali possibilità di intubamento, della pressione aerodinamica e della tipologia di scambiatore. minima altezza della traversa di collegamento puntoni, compatibile con il superamento del test urto pedoni e massima distanza longitudinale traversa-radiatori. sigillatura degli spazi (intubamenti) tra scambiatori di calore e pareti periferiche come paraurti, cofano, etc. Il criterio 1) è spesso in contrasto con le indicazioni stilistiche correnti, che privilegiano forme curve e frontali vettura sfuggenti con la conseguenza di abbattere drasticamente la funzionalità degli scambiatori di calore. Il criterio 2) consente di non deviare i flussi aria diretti al vano motore attraverso gli scambiatori, mentre i criteri 3) e 4) tendono a contenere le resistenze all ingresso aria agli scambiatori. Tuttavia non si può nascondere la difficoltà a definire un compromesso adeguato essendo la traversa di collegamento dei puntoni elemento strutturale essenziale per la sicurezza passiva. Il criterio 5) vuole evitare di disperdere preziosa aria di raffreddamento al di fuori delle masse radianti e impedire ricircolo di aria calda proveniente dal vano motore verso gli scambiatori di calore. 87

88 4 Installazione dei radiatori Ingressi aria esterna attraverso il frontale del veicolo 88

89 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità Il rumore percepito in abitacolo è la sovrapposizione di quanto emesso attraverso due vie di trasmissione: La via strutturale conseguente all azione delle forze variabili generate dai sottosistemi del veicolo nei punti di collegamento alla scocca. Le forzanti (frequenze prevalentemente inferiori ai 500Hz) inducono vibrazioni della struttura che generano onde di pressione nel volume d aria all interno dell abitacolo. La via aerea conseguente all azione delle onde di pressione (frequenze prevalentemente superiori a 1000Hz) che si generano all esterno dell abitacolo e che si trasmettono all interno dopo attenuazione attraverso i pannelli della scocca. Sorgenti di eccitazione dinamica per il veicolo: Strada Rotolamento Trasmissione Freni Aerodinamica Motopropulsore 89

90 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità Il motore come sorgente di vibrazioni e rumore: Sistema manovella - biella - pistone Forze e coppie alterne e centrifughe Combustione Fluttuazioni della coppia come armoniche della rotazione dell albero motore 90

91 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità Eccitanti Eccitanti alterne alterne di di inerzia inerzia in in un un motore motore alternativo alternativo monocilindro monocilindro Massa alterna m a acc = r * ω 2 *[cos θ + λ cos(2θ)] ω = dθ / dt Force = m * acc = F + F a I II Il motore come sorgente di vibrazioni e rumore 91

92 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità E E cc cc itan itan ti ti d d in in a a m ich ich e e in in u u n n m o o to to re re altern altern ativo ativo E E c c cita cita n n ti ti d d in in am am ich ich e e n n ei ei m oto oto ri ri altern altern ativi ativi Com bustioni F orz e a lterne d i inerz ia E ffe tti cen trifug hi F ig. 1.2a F ig. 1.2b Il M otore c o m e sorge nte di vibra zion i e ru m o re F ig. 1.2 Eccitanti dinamiche in un motore alternativo 92

93 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità L effetto L effetto delle delle combustioni combustioni in in un un motore motore alternativo alternativo monocilindrico monocilindrico F gas = P * A F tot = F gas + F rec F n = F tot * sinβ T e = F n * x Gas pressure Inertial effect Resulting pressure Coppia media erogata L effetto delle combustioni in un motore alternativo monocilindrico 93

94 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore Generalità Effetto Effetto del del frazionamento frazionamento sull irregolarità sull irregolarità di di coppia coppia Fig. 1.4a Il Motore come sorgente di vibrazioni Effetto del frazionamento sull irregolarità di coppia 94

95 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore Gruppo motopropulsore costituito da: Motore Ausiliari motore Cambio Differenziale Collegamento alla scocca tramite Sospensione costituita da: Elementi strutturali (staffe) Elementi elastici (tasselli, biellette) Obiettivo Filtrare la trasmissione per via strutturale alla scocca delle forzanti dinamiche generate nel funzionamento del motore 95

96 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore T RANSMISSIBILIT Y Fo/Fi Filtraggio 10 C F i M K Amplitude Frequency rate f/fn 2 Under dam ped (c/c_cr=0.15) Critical damping (c/c_cr=1) F o Tr = Fo Fi = ς f f n 2 f f n ς f f n 2 con f n = ζ = π c km k m = c c cr Sospensione motopropulsore Trasmissibilità di un sistema vibrante ad 1 grado di libertà Il principio di funzionamento può essere compreso considerando il noto sistema vibrante a un grado di libertà della figura dove, m rappresenta la massa del motopropulsore, k la rigidezza equivalente degli elementi elastici della sospensione, c il loro smorzamento (supposto viscoso), Fi è la forzante dinamica dovuta agli effetti inerziali del manovellismo in movimento e alle fluttuazioni di coppia. La funzione di trasmissibilità tra la forza in ingresso e quella Fo scaricata sul terreno (cioè sulla scocca, trascurando i suoi movimenti) è mostrata sempre in figura per un livello di smorzamento pari al 15% di quello critico e per quello critico. A partire dalla frequenza messa in evidenza, il sistema filtra le forze in ingresso. Naturalmente quanto più è bassa la frequenza di risonanza del sistema, tanto più è esteso l'intervallo di filtraggio. 96

97 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore Il motopropulsore sulla sua sospensione è dotato di sei gradi di libertà di corpo rigido, a cui corrispondono sei modi di vibrare con sei risonanze: normalmente questi modi sono compresi tra 5 e 20 Hz. L eccitazione prevalente dei motori automobilistici cada per buona parte del funzionamento a frequenze molto più elevate. Nel caso di motore 4 cilindri ( RPM) l eccitazione prevalente del 2 ordine presenta freq uenze comprese tra 25 e 200 Hz. A frequenze abbastanza superiori rispetto alle risonanze del sistema è facile dimostrare, usando le formule dei sistemi vibranti a un grado di libertà, che il motore è dinamicamente disaccoppiato dal resto della vettura. Ciò significa che gli spostamenti dinamici del motore sono praticamente indipendenti dalle caratteristiche della sospensione, mentre dipendono dalle sue caratteristiche inerziali ed elastiche, ed anche delle risonanze della sua struttura, di cui non si tiene conto nel caso dello schema del sistema vibrante semplificato. 97

98 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore Le forze dinamiche trasmesse alla scocca attraverso la sospensione possono quindi essere calcolate moltiplicando gli spostamenti dinamici del motore per la rigidezza dinamica degli elementi elastici di collegamento: f i = K i x S i In prima approssimazione, limitare le forze dinamiche, quindi il rumore trasmesso per via strutturale, è equivalente a flessibilizzare il più possibile gli elementi elastici, posizionando nel contempo gli attacchi in zone dove gli spostamenti del motore sono minimi e la sensibilità della scocca è inferiore. 98

99 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore Scelta ideale del posizionamento dei punti di attacco (motore 4 cilindri) Campo di spostamenti del motore Proiezione degli spostamenti motore sulla struttura del vano Eccitanti alterne di inerzia Fluttuazioni di coppia Asse di rollio Zone più favorevoli per l attacco Nella figura viene mostrato il campo di spostamenti dinamici del secondo ordine di un motore 4 cilindri ad un determinato valore di RPM, proiettato sulla struttura del vano motore. E pure indicato in modo semplificato il campo di spostamenti dovuto alle eccitanti alterne di inerzia e alle fluttuazioni di coppia. In primissima approssimazione le prime generano una traslazione nella direzione dell'asse dei cilindri (vero solo se il baricentro del gruppo motore cade sulla loro retta di azione), mentre le variazioni di coppia nella direzione dell'albero motore provocano una rotazione prevalente attorno all'asse principale di inerzia di rollio del motore. 99

100 5 La sopportazione del gruppo motopropulsore 5.2 La sospensione motopropulsore Scelta ideale del posizionamento dei punti di attacco (motore 4 cilindri) Mappa di sensibilità acustica della scocca Contrasto della coppia erogata dal motore Torque Contrasting arm Z Torque Reaction forces X Le informazioni contenute nella mappa precedente va incrociata con informazioni analoghe (mappa di questa figura) che mettono in evidenza le zone a minor sensibilità acustica della scocca (dove a parità di forza dinamica applicata risulta minore lo spostamento e quindi il rumore interno). Nella scelta della migliore posizione dei punti di collegamento, occorre comunque verificare che i bracci a disposizione per il contrasto della coppia erogata dal motore siano sufficienti ad evitare un carico eccessivo sugli attacchi. Inoltre i punti di collegamento debbono essere facilmente accessibili dalle attrezzature che realizzano l assemblaggio in linea e le staffe di collegamento non troppo lunghe, ma a rigidezza sufficientemente elevata, per evitare che i loro modi di vibrare strutturali cadano a frequenze troppo basse, amplificando gli spostamenti dinamici del motore. 100