ASPETTI GENERALI DELLA PROGETTAZIONE DELLE VETTURE AD ELEVATE PRESTAZIONI ED UN CASO

SPECIFICO

FRANCESCHINI, Giordano

Università di Perugia, Italia

Dipartimento di Ingegneria Industriale

E-mail:giorda@unipg.it

RIASSUNTO Nel presente lavoro vengono illustrate le problematiche generali connesse con la progettazione delle cosiddette supercar, ovvero le automobili sportive ad elevate prestazioni. Vengono inoltre esposti alcuni aspetti relativi ad un caso particolare di progettazione condotta dall’Autore.

Parole chiave: supercar

ABSTRACT The aim of this work is the description of the problems involved in supercar design, that is high performance sport cars. Some aspects concerning an Autor’s specifical study are also described.

Key words: supercar

Gruppo tematico: Progetti di Ingegneria. Metodi innovativi nella Progettazione Industriale.

1 INTRODUZIONE La costruzione di una automobile da produrre in serie e che possa circolare liberamente sulle strade è al giorno d’oggi un fenomeno estremamente complesso, sia dal punto di vista tecnico, che da quello legale ed economico. Una attuale stima Alfa Romeo quantifica l’ investimento necessario in cinquanta milioni di Euro ed in un tempo non inferiore a 36 mesi. La realizzazione di una macchina particolare od artigianale sopravvive in maniera significativa solo in settori sportivi ad alta specializzazione oppure nel mercato delle automobili stradali ad elevate prestazioni (supercar). In questo lavoro si vogliono illustrare le problematiche generali connesse con la progettazione delle supercar, esponendo come caso particolare una progettazione condotta dall’Autore.

2 PROBLEMATICHE CONNESSE CON LA PROGETTAZIONE DI UNA VETTURA MONOESEMPLARE O PICCOLA SERIE

La progettazione di una vettura monoesemplare o in piccola serie (max. 500 esemplari annui) necessita di uno studio preliminare volto a contenere gli aspetti progettuali, selezionando un numero limitato di obbiettivi da raggiungere per i quali sia sostenibile l’investimento economico, progettuale, di sperimentazione e collaudo. Una progettazione di questo tipo può essere chiamata una “progettazione semplificata”, ed i sui aspetti caratterizzanti sono:

– Conduzione di verifiche di tipo “locale”. Non potendo disporre di un codice di calcolo che integri tutti gli aspetti di progettazione automobilistica, appannaggio delle grandi Case costruttrici, la progettazione si limita a ricomprendere in un unico modello informatico solo gli aspetti di disegno (le cosiddette “Matematiche”), eseguendo le analisi, multibody e strutturali a parte, con specifici post – processor e su parti limitate dei meccanismi componenti l’automobile;

– Utilizzo del “Reverse Engineering” in sostituzione della sperimentazione avanzata. Molti dei parametri di riferimento per la progettazione dell’automobile necessitano di un sistematico affinamento sperimentale, delegato alle fasi di collaudo. A solo titolo di esempio possono essere citate la distribuzione dei pesi, la rigidezza torsionale del telaio, il rapporto peso / potenza, il rapporto passo / carreggiate, le posizioni assunte dall’asse di rollio, le frequenze proprie dei moti del corpo vettura. Una scelta preliminare dei valori di questi parametri e dei loro andamenti caratteristici può essere effettuata rilevandoli da autovetture esistenti delle quali è noto il valido comportamento stradale, eseguendone la simulazione con i codici di calcolo disponibili e indirizzando la progettazione in modo da riprodurre gli andamenti rilevati.

– Tracciamento di un sistema costruttivo semplificato. I criteri costruttivi utilizzati dall’industria automobilistica presuppongono la disponibilità di attrezzature ed impianti il cui valore supera di almeno tre ordini di grandezza il prezzo di vendita dell’automobile finita, e necessitano comunque per il loro funzionamento dell’organizzazione a catena di montaggio. Bisogna pertanto progettare un sistema costruttivo che permetta il montaggio vettura ad isola, a mezzo di una squadra di meccanici, trasformandolo in un lavoro di assemblaggio che connetta sia i sottosistemi (telaio, motore, impianti, carrozzeria) che i componenti (luci, accessori, arredi) siano essi di propria costruzione che di reperimento commerciale. Il progetto del sistema costruttivo si riduce pertanto dall’intero veicolo ai soli sottosistemi di propria concezione e fabbricazione, per i quali si può però fare ricorso a fornitori esterni specializzati e dotati delle necessarie attrezzature. In quest’ottica, è addirittura ipotizzabile la costruzione di una automobile ricorrendo per intero a risorse esterne.

– Utilizzo di componenti già presenti sul mercato. E’ conveniente dividere i componenti dell’auto in componenti caratterizzanti, ossia quelli che ne definiscono la personalità e che inevitabilmente debbono essere costruiti per la vettura in oggetto (ad esempio la

carrozzeria, od il telaio) e i componenti standard, che possono essere reperiti sul mercato, a costi più vantaggiosi.

– Personalità della vettura. Le auto del tipo in oggetto sono definibili mediante una loro personalità. Vi sono Case Automobilistiche che cercano nella loro produzione passata di maggior successo il segreto dello stile che le contraddistingue. L’Alfa Romeo cerca la sportività dei suoi modelli che corsero la Mille Miglia, L’Audi ama rifarsi all’Auto Union etc. Le supercar hanno una personalità più complessa in quanto non si vuole solo che trasmettano sensazioni visive, ma anche sensazioni di guida. Queste sensazioni, come vedremo nel caso di studio, sono trasmissibili mediante una opportuna realizzazione (progettazione) di sospensioni e telaio. Le sensazioni trasmesse come ben si comprende non sono solo caratterizzabili mediante valori numerici, ma devono essere validate da un collaudatore.

3 CONSIDERAZIONI SULLA PROGETTAZIONE DI UNA SUPERCAR Come già detto da un punto di vista funzionale, la realizzazione di una vettura del tipo in oggetto avviene sulla base di un insieme di criteri soggettivi.

Il primo criterio soggettivo, noto a tutti, è quello dell’estetica. Una automobile di questo tipo deve senz’altro apparire bella, ed in alcuni casi deve trasmettere un messaggio di lusso, associabile alle disponibilità economiche del proprietario. L’influenza del fattore estetico è di fatto pesante su tutti i tipi di vettura, anche quelle più convenzionali, e sono note a tutti le discussioni fra tecnici e creativi nelle riunioni progettuali.

Altro criterio soggettivo è quello delle prestazioni. Le automobili supersportive di fatto non raggiungono mai su strada aperta al traffico le prestazioni per esse dichiarate, se non in casi particolarissimi nei quali comunque il raggiungimento delle massime performances è limitato dalle capacità di guida dei loro proprietari. Lo stesso avviene anche nel caso di prove in pista, dove in pochi giri si distruggono le gomme ed i freni in quanto costruiti per uso stradale. Pertanto nessuno, tranne piloti professionisti o collaudatori, è in grado di verificare completamente le prestazioni di una macchina simile. Le stesse considerazioni possono essere fatte per la tenuta di strada, in quanto i limiti di aderenza non vengono mai raggiunti se non in condizioni anomale (suolo bagnato, suolo ghiacciato, pneumatici usurati).

Altro aspetto soggettivo dal quale oggi non si può prescindere è quello del comfort di marcia. Nei decenni precedenti, gli appassionati clienti sportivi ritenevano che il disturbo causato da rumore, vibrazioni, calore nell’abitacolo fossero elementi distintivi delle auto da corsa e quindi addirittura ostentavano tali scomodità. L’odierna cultura dell’automobile impone un elevato livello di comfort all’interno di qualunque mezzo, e per questo motivo oggi sono presenti irrinunciabilmente su tutte le automobili servosterzo, aria condizionata, autoradio, telepass e molto presto, il navigatore satellitare.

In definitiva si può riassumere come la progettazione di una supercar sia una media che annovera fra i suoi termini, oltre ai rigorosi fattori progettuali, aspetti estetici ed aspetti soggettivi legati alla sensazione di guida, che chiameremo per semplicità aspetti non numerici.

Vogliamo annoverare, fra gli aspetti non numerici, i seguenti:

– Basso rapporto peso potenza.

– Alta rigidezza torsionale del telaio.

– Rapida risposta all’azione del volante ed elevata stabilità alle manovre.

– Passo. L’ attuale evoluzione comporta il passo lungo; un tempo, si riteneva che il passo corto rendesse la macchina più agile nelle curve strette.

– Elevata sezione dei pneumatici, con conseguente alto livello di aderenza ma problematica guida sul bagnato.

– Elevate dimensioni della vettura. Spesso le supercar sono intenzionalmente di dimensioni rilevanti, per trasmettere un messaggio di potenza.

– Grande cilindrata del motore. Attualmente è la cilindrata, più che la potenza, ad esprimere le potenzialità della macchina, come avveniva in passato. Si è conclusa infatti una parentesi, con l’ epoca dei motori turbo, in cui la situazione si era capovolta.

– Considerevole rigidezza delle sospensioni.

4 UN CASO SPECIFICO: LA PROGETTAZIONE DELL’AUTOMOBILE “CORZANI” L’automobile “Corzani”, è una supercar la cui progettazione è stata condotta dall’Autore. Le specifiche principali della vettura sono riassumibili in:

– Motore posteriore in posizione centrale;

– Carrozzeria chiusa (coupè) a due posti;

– Progetto della vettura finalizzato ad ottenerne l’omologazione in piccola serie oltre alla possibilità di derivarne una versione da competizione, categoria Gran Turismo, per correre nelle Gare di Durata “classiche” quali ad esempio la 24 Ore di Le Mans;

– Gruppo motore da reperirsi sul mercato corrente, di potenza intorno ai 350 kW.

Figura 1 – La supercar “Corzani”

Attualmente si è giunti alla realizzazione del primo prototipo completo, con il quale sono state condotte le prove in pista e le prime pratiche di omologazione. La costruzione degli esemplari successivi è temporaneamente sospesa in attesa del perfezionamento dei necessari accordi per la fornitura della motorizzazione definitiva, dalla cui scelta dipende la redazione del dossier di omologazione.

Il progetto della supercar in questione ha tenuto conto di molti aspetti. In questa sede ci si limita a trattarne due: il progetto del telaio ed il progetto delle sospensioni.

Circa il progetto del telaio, inderogabili esigenze economico – organizzative hanno imposto la necessità di definire una soluzione costruttiva che fosse realizzabile senza ricorso a competenze o strutture esterne.

Si è pertanto individuata una tecnica costruttiva di estrema semplicità, che ottiene il telaio come unione di più strutture scatolari chiuse realizzate in alluminio piegato.

Le strutture scatolari più importanti costituenti il telaio sono:

– scatola zona anteriore, cui vengono collegate le sospensioni anteriori e gli organi di sterzo (indicata con “A”);

– scatola zona posteriore, alla quale vengono collegate le sospensioni posteriori e all’interno della quale viene posizionato il gruppo motore / cambio (indicata con “B”);

– longheroni inferiori laterali di collegamento fra le due strutture anzidette (indicati con “C”).

A queste strutture principali si aggiungono altre strutture di importanza secondaria quali;

– longherone supplementare centrale, ininfluente ai fini strutturali ma necessario per alloggiarvi alcuni organi di collegamento (indicato con “D”);

– traversa di collegamento fra i longheroni laterali e di separazione zona abitacolo e zona motore (indicata con “E”);

– scatole di collegamento fra longheroni laterali e scatole anteriore e posteriore (indicate con “F”);

– centine di rinforzo trasversali in corrispondenza delle zone attacco sospensioni (indicate con “G”).

L’unione fra le strutture scatolari e le strutture ausiliarie di rinforzo avviene mediante incollaggio strutturale epossidico e rivettatura. Lo spessore dell’alluminio impiegato è di 3 mm.

Figura 2 – Telaio della supercar “Corzani”

Con questa particolare soluzione costruttiva è stato possibile contenere il peso del telaio in meno di 100 kg, a fronte di un passo di 2,77 m e di una lunghezza complessiva dello stesso pari a 3,60 m, ed una rigidezza torsionale di 2.000 daN/deg.

La peculiarità dell’impiego della macchina anche in competizione ha imposto particolare attenzione circa la studio preliminare del minimo valore di rigidezza torsionale necessario per garantirne una sufficiente regolabilità della vettura.

La rigidezza torsionale del telaio è un parametro fondamentale per il comportamento in curva del veicolo, in quanto la azione centrifuga che si genera in curva produce un momento che si scompone in azioni verticali sui quattro gruppi sospensioni – pneumatici impropriamente chiamate trasferimenti di carico. La conoscenza dei trasferimenti di carico permette di calcolare l’angolo di deriva subito da ciascun pneumatico, ed il complesso delle derive dei quattro pneumatici permette di descrivere il comportamento in curva del veicolo, di stimarne il limite di aderenza e la massima velocità di percorrenza della curva stessa.

Il calcolo analitico dei trasferimenti di carico noto il momento è possibile nell’ipotesi di telaio infinitamente rigido. Diversamente è necessario ricorrere a strumenti di calcolo iterativo o di simulazione.

L’ipotesi di telaio infinitamente rigido o comunque di rigidezza molto superiore a quella dei gruppi elastici non trova riscontro ne sulle vetture stradali ne su quelle da corsa. Le prove di torsione sperimentali mostrano un rapporto di uno a quattro.

Sulla base di queste considerazioni si è sviluppato un modello di calcolo per ottenere i valori dei trasferimenti di carico data la rigidezza torsionale del telaio e la sua distribuzione lungo lo stesso, per applicarlo preliminarmente alla progettazione del telaio. L’ utilizzo di tale modello in fase progettuale è preferibile alle simulazioni agli elementi finiti, che avrebbero ugualmente risolto il problema, in quanto quest’ultime richiedono la conoscenza puntuale di tutti i particolari del veicolo, mentre il modello funziona per macroparametri.

Il modello parte dalla seguente schematizzazione del veicolo in curva, il cui comportamento dinamico è descritto dalle equazioni cardinali della dinamica.

Figura 3 – Schema equivalente al rollio del veicolo

Le osservazioni sperimentali effettuate sulle auto da corsa con gli impianti di telemetria dimostrano la trascurabilità delle forze d’inerzia: è dunque lecito semplificare lo schema dinamico equivalente in uno schema statico. Tale semplificazione è particolarmente vantaggiosa in quanto nel complessivo telaio – sospensioni sono presenti delle non linearità delle sue rigidezze concentrate, meglio dominabili nel caso statico, di cui il modello tiene conto operando per piccoli spostamenti intorno alla configurazione di equilibrio con le rigidezze equivalenti dei meccanismi delle sospensioni.

Queste rigidezze sono sintetizzate per mezzo di altro modello di simulazione descritto in seguito, chiamato SOSP, tenendo conto degli effetti degli elementi elastici di collegamento fra ruote dello stesso asse, detti barre antirollio, nonché dell’elasticità dei pneumatici.

Riassumendo, i parametri di cui il modello tiene conto sono:

ca, cp Carreggiata anteriore/posteriore

Rsa, Rsp Rigidezza torsionale sezioni di telaio anteriore/posteriore

ka, kp Costante elastica equivalente sospensioni anteriori/posteriori

ga, gp Costante elastica verticale pneumatici anteriori/posteriori

spsa

spsas RR

RRR

+⋅

= Rigidezza torsionale complessiva del telaio

aa

aaa gk

gkR

+⋅

= pp

ppp gk

gkR

+⋅

= Costante elastica complessiva anteriore/posteriore

a

p

c

c=λ fattore geometrico del telaio

aa

pp

Rc

Rch

⋅⋅

= 2

2

fattore geometrico del telaio, pesato con le rigidezze

sa

sp

R

Rn = fattore di distribuzione della rigidezza torsionale lungo il telaio, da cui

nn

RR ssa

1+⋅= ; )1( +⋅= nRR ssp

pa µµ , momento specifico di reazione al momento M su avantreno e retrotreno ( 1=+ pa µµ )

[ ]aas

aasa

RChhRn

RChnR

⋅⋅++⋅⋅⋅+

⋅⋅++⋅⋅=

2

2

)1(2)1(

)1(2µ ; [ ]pps

ppsp

RChhRn

RChnR

⋅⋅++⋅⋅⋅+

⋅⋅++⋅⋅=

2

2

)1(2)1(

)1(2µ

Gli stessi possono parametrizzarsi in funzione di sR e della sola aR :

[ ]aas

aassa

RChhRn

RChnRR

⋅⋅++⋅⋅⋅+

⋅⋅++⋅⋅=

2

2

)1(2)1(

)1(2)(µ ;

[ ][ ]aas

aassp

RChhRn

RCnnRhR

⋅⋅++⋅⋅⋅+

⋅⋅++⋅⋅⋅=

2

2

)1(2)1(

)1(2)(µ

La successiva figura rappresenta l’andamento del momento di reazione sull’asse anteriore del veicolo, normalizzato rispetto al momento centrifugo applicato, in funzione della rigidezza della sospensione anteriore Ra. Le diverse curve sono ottenute per diversi valori della rigidezza del telaio Rs.

Si può osservare come per valori crescenti di Rs le curve si spostano verso l’alto, permettendo di raggiungere valori più alti del momento di reazione a parità di rigidezza della sospensione. In altri termini, il range dei trasferimenti di carico ottenibili si amplia verso l’alto.

Figura 4 – Diagramma di µa(Ra) per diversi valori di Rs

L’utilizzo di questo modello di calcolo ha permesso di individuare la minima rigidità torsionale per la quale la vettura ha un range significativo di regolazioni, sia per l’utilizzo sportivo che per l’impiego stradale, quantificata in 1000 dAN/deg.

Circa il progetto delle sospensioni, e stato impiegato il modello di prototipazione virtuale delle stesse, chiamato SOSP. Questo modello, interamente sviluppato dall’Autore, simula in maniera iterativa il movimento di una singola sospensione del tipo a doppi triangoli sovrapposti in funzione di due gradi di libertà: l’altezza da terra e l’angolo di sterzata della ruota, secondo lo schema indicato nella figura successiva. Il modello, note le coordinate dei punti fissi della sospensione e le lunghezze degli elementi di collegamento opera delle variazioni discrete dei due parametri anzi descritti, determinando le conseguenti posizioni di tutti i punti nodali della sospensione ed i conseguenti valori di tutti i parametri di assetto (ad esempio angoli della ruota, posizione centro di rollio, lunghezza ammortizzatore, ecc..). L’andamento dei parametri di assetto in funzione di altezza da terra e angolo sterzo definisce una classe di leggi chiamata recuperi.

Il progetto cinematico delle sospensioni avviene secondo le seguenti fasi:

– definizione dei punti fissi e delle lunghezze di collegamento;

µa

Ra [Nm/deg]

Rs = Rs1

Rs = Rs7

Rs = Rs2

Rs1 = 250 daN·m/deg Rs2 = 500 daN·m/deg Rs3 = 1000 daN·m/deg Rs4 = 1500 daN·m/deg Rs5 = 2000 daN·m/deg Rs6 = 2500 daN·m/deg Rs7 = 3000 daN·m/deg

– simulazione del moto della sospensione e tracciamento dei recuperi;

– confronto dei recuperi ottenuti con recuperi ottimali

– in caso di differenza fra i recuperi ottenuti e quelli ottimali, modifica della posizione di alcuni punti fissi della sospensione e conseguentemente di alcune lunghezze di elementi di collegamento;

– nuova esecuzione della simulazione, con ripetizione delle due fasi precedenti sino al conseguimento di soddisfacenti andamenti dei recuperi.

25 23

24

21

10

3

13

20

12

4

17

16

11

18

76

22

85

9

γ

14

X Y

Z

Senso di Marcia

Figura 5 – Schema cinematico della sospensione

Tale procedimento è valido solo quando si dispone dei recuperi ottimali da confrontare con quelli ottenuti. Nel caso specifico, l’Autore, pur conoscendo l’andamento dei recuperi ottimali per le vetture da competizione avendo progettato ed analizzato con il modello SOSP più di cento soluzioni, non disponeva di informazioni sufficientemente sviluppate circa il recupero ottimale per le automobili stradali, legati alle ancora più incognite caratteristiche delle gomme da loro utilizzate. In tale chiave è stata preziosa la pubblicazione, di alcuni recuperi delle vetture Porsche 911 anno 1984, dalla quale è stato possibile rilevare l’andamento, in funzione dell’altezza da terra, dell’angolo di camber, della convergenza, dell’altezza del centro di rollio. Questi recuperi, in virtù del notorio buon funzionamento della macchina, sono stati assunti come ottimali, ed il progetto delle sospensioni li ha quindi riprodotti.

5 CONCLUSIONI Si sono esposte alcune problematiche generali inerenti la progettazione delle supercar e delle automobili di piccola serie. Si è illustrato un caso specifico, descrivendo l’impiego di alcuni modelli di calcolo sviluppati dall’ Autore.

6 SVILUPPI FUTURI Ci si ripropone di indagare con i modelli esporti il comportamenti di alcune supercar esistenti, paragonandolo con quello della vettura progettata.

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