Studio di massima di una microvettura con abitacolo ad isolamento migliorato

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1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA' DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Classe 10 Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA In Disegno Tecnico Industriale Studio di massima di una microvettura con abitacolo ad isolamento migliorato CANDIDATO Filippo Bagattoni RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli Anno Accademico 2004/2005 Sessione III

2 Incremento sicurezza Obiettivi Utilizzo componenti di derivazione automobilistica provenienti dalla vecchia Fiat Panda Simulazione di Crash Test Isolamento migliorato dell abitacolo Dimensionamento del gruppo molle ad aria in riferimento alla frequenza di stomaco Riduzione del gruppo abitacolo molle ad aria ad un modello a parametri concentrati ad 1 g.d.l.

3 Vincoli Riassunto della normativa Lunghezza [mm] Larghezza [mm] Altezza [mm] Massa MAX a vuoto [Kg] Carico utile [Kg] Velocità massima [Km/h] N passeggeri Motore Benzina: cil.< 50 cc Diesel: Pmax < 4 kw

4 Il Telaio Telaio in tubi Componenti Estrusi rettilinei Sezione iniziale: Rettangolare Cava 60x40x3 (mm) Lamiere stampate Vantaggi: Peso contenuto Costi ridotti per volumi produttivi medio-bassi Svantaggi: Tecniche specifiche di lavorazione e assemblaggio Alti costi per volumi produttivi elevati Materiali Estrusi: lega AA 6061-T6 Parti stampate: lega AA 5182 Tecnologia di giunzione Saldatura a MIG - Rivettatura

5 Il Telaio Progetto

6 I Crash Test EuroNCap Verifica di resistenza del pianale basso Crash Test Frontale Crash Test Laterale Test del Palo Simulazione delle tre prove di Crash Test mediante il modulo LS-Dyna del software Ansys Ver. 10

7 Crash test frontale Impatto frontale riguardante il 40% della larghezza, velocità di 64 km/h. Nel caso di minivetture la velocità è limitata a 45 km/h: si effettuerà il test in questa condizione Barriera composta da una struttura a nido d ape in alluminio Deformazioni del montante superiore e della pedaliera assai contenute intorno ai 70 mm (deformazione massima ammissibile di 200 mm) Norme EuroNCap soddisfatte Crash Test frontale superato in modo eccellente

8 Crash test laterale Impatto laterale con barriera su carrello di massa 930 kg e velocità di 50 km/h. L asse del carrello è allineato con l anca del pilota. Vettura ferma Barriera composta da una struttura a nido d ape in alluminio Sono critiche le deformazioni della zona della portiera su cui avviene l impatto Lo spostamento massimo è minore di 150 mm (il limite è di 200 mm) Norme EuroNCap soddisfatte Crash Test laterale superato in modo moderato

9 Test del palo Impatto contro un palo rigido di diametro 254 mm. L asse del palo è allineato con il baricentro della testa del pilota. La vettura è su un carrello che si muove a 29 km/h con le ruote su fogli di teflon in modo da annullare l attrito Lo spostamento massimo è di circa 170 mm (non contenuto, ma inferiore al limite di 200 ) Test estremamente severo, che spesso richiede l adozione di airbag e strutture specifiche Norme EuroNCap soddisfatte Test del Palo superato in modo moderato

10 L isolamento dell abitacolo L idea è quella di interporre tra il pianale basso e l abitacolo delle molle ad aria, in modo da ridurre notevolmente le vibrazioni provenienti dal pianale e aumentare il livello di comfort per i passeggeri Per ridurre le vibrazioni a cui è soggetto l abitacolo occorre dimensionare le molle ad aria in modo che esse isolino i passeggeri da perturbazioni di diversa frequenza, evitando la risonanza nel campo della cosiddetta Frequenza di Stomaco che varia da 4 a 6 Hz

11 L isolamento dell abitacolo Le molle ad aria costituiscono un valido mezzo per isolamento di carichi che necessitano di elevata protezione durante il trasporto. Esse vengono utilizzate ampiamente sui veicoli industriali. Nella loro configurazione più semplice si presentano come due dischi di acciaio a cui viene interposto, mediante una chiusura ermetica, un elemento in gomma vulcanizzata cavo entro cui poi viene inserita dell aria ad una certa pressione mediante fori praticati su uno dei due dischi metallici. Proprio sulla compressione dell aria all interno dell elemento in gomma si basa la resistenza della molla. L elemento in gomma centrale ha una forma toroidale e viene definito lobo. L aumentare del numero di lobi è legato essenzialmente alla rigidezza e alla capacità di carico che si desidera ottenere

12 L isolamento dell abitacolo I vantaggi di questo tipo di molle sono molteplici : Eccellente capacità di ridurre le vibrazioni Altezza costante di progetto. L altezza operativa delle molle è regolata unicamente dalla pressione interna dell aria. Un semplice sistema di controllo automatico garantisce un altezza operativa costante anche in caso di carichi alternati Proprietà di isolamento dipendenti dal carico. La rigidezza della molla è direttamente proporzionale alla capacità di carico. Stabilità laterale. Le molle ad aria sopportano disallineamenti laterali dell ordine dei 20 mm senza che vengano pregiudicate le loro caratteristiche di capacità di carico e isolamento. Ingombro ridotto. Rispetto alle comuni molle ad elica metalliche, le molle ad aria presentano un ingombro verticale pari alla metà Assenza di manutenzione e lunga durata di esercizio. Le molle ad aria non necessitano di alcun tipo di manutenzione e il materiale utilizzato per l elemento in gomma è resistente ai fattori atmosferici e all azione del tempo.

13 L isolamento dell abitacolo Il modello usato per il calcolo e il dimensionamento del gruppo molle è quello di un sistema a parametri concentrati massa molla smorzatore ad 1 g.d.l. Tale riduzione è stata resa possibile trascurando i moti di rollio e beccheggio, di cui si è tenuto conto successivamente mediante un opportuno posizionamento delle singole molle Con m si intende la massa dell abitacolo comprensiva di pavimento, 2 passeggeri da 77 Kg ognuno, i sedili, la strumentazione, i vetri e il carico trasportabile per un totale di 474 Kg Con K si intende la Keq incognita del gruppo molle da dimensionare

14 L isolamento dell abitacolo Le molle ad aria si comportano come un filtro passa-basso e perciò, per avere un buon isolamento, è necessario dimensionarle in modo che la loro pulsazione naturale ω n sia più piccola possibile, con particolare attenzione ad evitare la risonanza nel campo della frequenza di stomaco (tra 4 e 6 Hz) Come frequenza f 0 di progetto si sceglie 10 Hz. Ricordando che : ω n = k m e ω = 2ϖf Dovrà valere che : f 1 k eq 0 = = 2 π mtot 10Hz (1)

15 L isolamento dell abitacolo Per isolare l abitacolo occorre un numero minimo 6 molle ad aria poste fra le alzate e il pianale basso Il posizionamento lontano dagli assi di rollio e beccheggio permette di ridurre al minimo i moti ad essi relativi

16 L isolamento dell abitacolo f 1 keq = 10Hz (1) 2 π m 0 = tot Dalla (1) si ottiene una k eq = N/m Dato che il sistema di 6 molle agisce in parallelo si avrà che k 1molla = N/m Tale valore di rigidezza elevato e porterebbe a scegliere da catalogo molle ad aria di ingombro e peso eccessivo per il raggiungimento del comfort voluto. La soluzione al problema può seguire due strade diverse : Si può raggiungere la k eq necessaria mediante l aggiunta di un numero molto maggiore a 6 di molle ad aria più piccole tutte agenti in parallelo, ma tale soluzione risulta economicamente sconveniente e non porterebbe ad una apprezzabile riduzione di peso Raggiungere la frequenza f 0 di progetto agendo sulla massa m. Non è possibile toglierla, ma è molto conveniente spostarla sul retrotreno, separando cioè il carico massimo ammissibile dall abitacolo in modo da alleggerirlo di 200 Kg. Questa rappresenta la soluzione migliore sia in termini economici, che di peso

17 L isolamento dell abitacolo La microvettura assume le caratteristiche di un piccolo pick-up, che verrà dotato di un cassone posteriore adibito esclusivamente al trasporto del carico. La nuova configurazione non necessita di una nuova sessione di crash test in quanto in precedenza era stato analizzato solo il pianale basso, permettendo ora di avere un ampia libertà di design I criteri di posizionamento restano invariati. Il numero minimo di molle tra alzate e pianale basso scende a 4.

18 L isolamento dell abitacolo f 1 keq = 10Hz (1) 2 π m 0 = tot Considerato che m tot ora è di 274 Kg dalla (1) si ottiene : k eq = N/m Volendo utilizzare il numero minimo di molle, ovvero 4, segue che e : k 1molla = ,16 N/m Tale valore di progetto permette di scegliere da catalogo una molla ad aria a singolo lobo avente una rigidezza di 223 KN/m, la quale ci consente di ottenere una frequenza naturale del sistema f 0 pari a 9 Hz, che è comunque al di sopra del limite di 6 Hz della frequenza di stomaco. La scelta è ricaduta su questo tipo di molla, nonostante la rigidezza sia parzialmente lontana dall ipotesi di progetto, in quanto le molle ad aria a singolo lobo consentono di ottenere il risultato voluto mantenendo comunque un ingombro e un peso assai contenuti. Tale soluzione risulta poi particolarmente conveniente in quanto viene ridotto al minimo il numero di molle impiegate, riducendo così anche i costi.

19 L isolamento dell abitacolo Le molle ad aria scelte da catalogo possiedono per loro natura un fattore di smorzamento pari a 0,35. Tale valore consente di contenere notevolmente le ampiezze di oscillazione nella zona di risonanza. X/Y 0 Si può notare dal grafico come si ottenga un isolamento efficace a partire da 2 f 0 =12, 73Hz

20 L assemblaggio dei componenti La microvettura con configurazione Pick-up comprendente gli sportelli, le ruote, il gruppo freni e le sospensioni anteriori e posteriori, motore e attacchi vari. Il Pick-up completo di pannelli esterni cassone posteriore, fanaleria, parafanghi, vetri, specchietti, minigonne e ruota di scorta

21 Vincoli Verifica Rispetto della Normativa Componente Telaio Molle ad aria Sospensioni anteriori+ruote+freni Sospensioni posteriori+ruote+freni Motore Trasmissione+gruppo sterzo Carrozzeria+vetri Sportelli Sedili Accessori+fanali+pannelli interni+altro Massa (Kg) m 1.45 m TOTALE m Rispetto peso massimo consentito (350Kg) Dimensioni contenute

22 Conclusioni Lo studio effettuato ha permesso di ottenere : Un pianale basso leggero e resistente in grado di superare tutti i Crash test imposti dall EuroNCap, aumentando il livello di sicurezza per i veicoli di questo segmento Un ottimo livello di comfort per i passeggeri, in quanto si trovano molto ben isolati dalla maggior parte delle frequenze a cui il corpo umano è sensibile ( dai 20 Hz in su), senza ricadere in una eccessiva amplificazione nella zona di risonanza, che rimane comunque al di sopra della frequenza di stomaco Un dimensionamento del gruppo molle ad aria che permette di contenere numero, peso, costi e ingombro dei componenti utilizzati