STUDIO DI MASSIMA E OTTIMIZZAZIONE DI UN SEDILE ... Internet/Catalogo Tesi... · Le molle ad aria...

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CON SEDE A CESENA

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA

IN INGEGNERIA MECCANICA

Classe 36/S

Sede di Forlì

TESI DI LAUREA

In DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE

STUDIO DI MASSIMA E OTTIMIZZAZIONE DI UN SEDILE AMMORTIZZATO INNOVATIVO PER

AUTOVETTURE SPORTIVE

Candidato: Relatore :

DAVIDE BUONAGURA Ch.mo Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA

Dott. Ing. CLAUDIO LORENZINI

Anno Accademico 2009-2010Sessione III

23/03/2010 2BUONAGURA DAVIDE

LE VIBRAZIONI SULL’UOMOANALISI DELLE VIBRAZIONI

L'indice di dis-comfort per un soggetto alla guida è influenzato

dall'accelerazione verticale lungo la spina dorsale.

Vibrazioni di frequenza fino ad 1 Hz

provocano solo il cosiddetto mal di

mare.

Sotto i 2 Hz praticamente il corpo si

comporta come una massa pura.

Esiste una zona di risonanza intorno

ai 4÷6 Hz sia per soggetti seduti che in

piedi.

Forza istantaneaIMPEDENZA=

Velocità


IL PROGETTO

SPECIFICHE PROGETTUALI

Autoregolazione del sistema in funzione del carico;

Ingombro longitudinale ridotto (max 70÷80 mm);

Corsa utile di ammortizzazione circa 40 mm;

Molle a pacco con un picco di accelerazione di 2g;

Design del sedile sportivo, stile “Recaro”;

OBIETTIVO PRINCIPALE

Progettare un sedile ammortizzato che possa “autoregolarsi”mantenendo costanti le caratteristiche di comfort desiderate, al variare

del peso del guidatore, senza la necessità di unaregolazione manuale dall’esterno.

Dopo una prima fase progettuale è prevista

la costruzione di un prototipo del sedile, il

quale oltre ad essere verificato in

laboratorio sarà provato su un autovettura a

disposizione.

PORSCHE 924


IL PROGETTOANALISI DEL SISTEMA

Il modello usato per il calcolo e il dimensionamento del gruppo molle è

quello di un sistema a parametri concentrati massa – molla – smorzatore.

I componenti del sistema sono:

“m” → massa guidatore(al 75%)+massa

sedile;

“k” → rigidezza del sistema di sospensione

del sedile combinata con quella

dell’imbottitura del cuscino;

“c” → smorzamento dovuto alla presenza di

un ammortizzatore idraulico.

L’ovvia richiesta da fare al sedile è che le oscillazioni che compie la massa

“m” siano inferiori a quelle del pianale.


IL PROGETTO

1

2eq

n

kf

m

ISOLAMENTO DEL SEDILE

Per ridurre notevolmente le vibrazioni provenienti dalle disconnessioni

stradali e aumentare il livello di comfort per il guidatore l’idea è quella di

posizionare sotto il sedile delle molle ad aria.

Le molle ad aria si comportano come un filtro passa-basso, per avere un

buon isolamento, è necessario che la loro frequenza naturale “fn” sia più

piccola possibile, evitando la risonanza nel campo della frequenza di stomaco

(tra 4 e 6 Hz).


IL PROGETTOANALISI STATICA

Se aumenta il peso del guidatore e quindi la forza, deve aumentare la

rigidezza delle molle, in questo modo rimane costante la frequenza naturale

del sedile al valore desiderato. Deve essere costante la corsa di molleggio.

F k x k=Rigidezzadella molla

x=allungamento (accorciamento)

Corsa max

Utilizzo un sistema di 4 molle ad aria in

parallelo. Le molle si ripartiscono

egualmente il carico e le singole rigidezze

sommate devono dare la rigidezza totale

del sistema.


IL PROGETTO

3.5n OKHzf 1

2eq

n

kf

m

RANGE DI MASSA m=75÷110 kg

max

min

( 110 ) 53950

( 75 ) 36787.6

eq

eq

m kg N

m kg N

k

k

CORSA A DISPOSIZIONE 40 mm

Fuori dal campo delle frequenze di

stomaco 4÷6 Hz

F k x

ANALISI DINAMICA


IL PROGETTOVOLUME AUSILIARIO

Per ottenere la rigidezza desiderata bisogna dimensionare correttamente il

volume d’aria presente all’interno delle molle.

DIMENSIONATO

PER ANDARE A

PACCO CON “2g”


Il volume necessario è

maggiore di quello che riesco ad

inserire dentro la molla, prevedo

quindi l’utilizzo di un ulteriore

volume d’aria esterno.

IL PROGETTO

.P V COST

VOLUME AUSILIARIO

Per il calcolo del volume ausiliario ipotizzo che avvenga una compressione

adiabatica durante il movimento, utilizzo la legge di Poisson:

SITUAZIONE INIZIALE SITUAZIONE A PACCO

1 1 2 1 2P V V P V

Le due fasi durante il molleggio sono:


IL PROGETTOSMORZATORE IDRAULICO

Deve permettere durante la corsa di discesa libertà di movimento ed effettui

smorzamento durante la risalita del sedile.

A causa degli spazi ridotti, ho deciso di inserire nel sistema un cinematismo

che mi permetta di passare da un movimento verticale ad uno orizzontale ed

incrementare la corsa di lavoro sullo smorzatore.


COMPONENTI AUSILIARI

Per evitare che un’eccessiva sollecitazione provochi il distacco delle due

parti delle molle, ho previsto la presenza di sei finecorsa di sicurezza.

Per concedere al sedile possibilità di movimento trasversale nell’autovettura

per esigenze di comfort del cliente, sono previste delle guide.

IL PROGETTO


IL PROGETTODIMENSIONAMENTO COMPONENTI

Viti ancoraggio sedile al pianale.

Finecorsa di sicurezza.

6464 / 17.7 /

3.6km h m s

217.720 /

0.09g m s

Tempo di arresto auto

9/100 s


Ho verificato che i finecorsa resistano anche in caso di sforzo eccessivo

durante il molleggio.

IL PROGETTO

2 23x xyeq

Quattro bulloni Grado 8.8

M8x1.25

DIMENSIONAMENTO COMPONENTI

D=10mmD=15mm

VON MISES


IL PROTOTIPO

Le lamiere che compongono il telaio sono state tagliate al laser e piegate.

MATERIALE LAMIERE

Fe360

I cilindri che compongono le molle sono stati prodotti al CNC, sono

rettificati nella zona interna dove agisce la guarnizione.

MATERIALE CILINDRI

C40

COMPONENTI UTILIZZATI (TELAIO)COMPONENTI UTILIZZATI (CILINDRI MOLLE)


IL PROTOTIPOCOMPONENTI UTILIZZATI (GUARNIZIONI)

La guarnizione è uno dei punti critici del sistema in quanto deve:

1. Permettere lo scorrimento tra le due parti della molla creando il minimo

attrito possibile, soprattutto in relazione all’attrito di primo distacco;

2. Fare tenuta con una pressione molta bassa, siamo nell’ordine di 1÷2 bar;

3. Avere ingombri ridotti.

Utilizzo inizialmente una guarnizione

a labbro in poliuretano con un profilo

arrotondato specifico per uso

pneumatico.


Il sensore di blocco compressore; I finecorsa di sicurezza e le guide sedile. Il meccanismo per l’inclinazione schienale. Per controllare che il sedile fosse stato progettato in quanto a ingombro, ho

eseguito una verifica installandolo sull’autovettura.

IL PROTOTIPOASSEMBLAGGIO COMPONENTI

Le quattro molle sulle piastre;


IL PROTOTIPOGESTIONE DEL SEDILE

Circuito pneumatico.

CIRCUITO DI RITENUTA

Circuito elettrico.


IL PROTOTIPOTEST SEDILE

Prima di installare lo smorzatore idraulico, ho deciso di effettuare alcune

prove in laboratorio per verificare la funzionalità delle molle ad aria.

Per replicare la forzante che avrei sul pianale dell’auto a causa delle

disconnessioni della strada, ho applicato una forza variabile sul sedile.


IL PROTOTIPOPROBLEMI RISCONTRATI

1. L’attrito presente in fase di molleggio è superiore a quello previsto, questo

implica un movimento non scorrevole con problemi di impuntamento.

2. Le quattro molle non riescono a garantire una buon parallelismo tra le

piastre a causa della deformabilità delle guarnizioni.


IL PROTOTIPOMODIFICHE APPORTATE AL SISTEMA

Utilizzare una sola molla ad aria posta centralmente;

Progettare un sistema di guida del sedile, con la sola funzione di mantenere

un corretto movimento in parallelo tra le piastre.


IL PROTOTIPOSISTEMI DI GUIDA

Utilizzo una classica guida rettilinea formata da un perno il quale scorre

all’interno di una manicotto rivestito internamente in materiale antifrizione.

VALUTAZIONE MECCANISMO

→ Corretto parallelismo tra le due piastre

durante il molleggio;

→ Attrito è molto basso;

→ Problemi di impuntamento se la forza

non è applicata nel baricentro del sedile.

1. Soluzione perno/boccola;



2. Soluzione con cuscinetti;

Utilizzo dei cuscinetti fissati ad un blocchetto di ferro sulla piastra

inferiore del sedile e un perno di base quadrata fissato alla piastra superiore.


→ L’attrito prodotto dalle rotelline

praticamente irrilevante.

→ Il gioco tra le parti dovuto alle

lavorazioni meccaniche è causa di un

movimento non scorrevole.



Utilizzo delle rotelline ricoperte in gomma sulla superficie esterna.


→ L’elasticità della gomma permette

di avere meno problemi con i giochi

causati dalle lavorazioni;

→ Movimento migliorato ma non

ancora accettabile.

3. Soluzione con rotelle;



Utilizzo quattro cinematismi articolati a pantografo posizionati nei quattro

vertici del sedile collegati tra loro.


→ Molleggio scorrevole, tutta la corsa

è completamente guidata;

→ Attrito molto basso senza problemi

di impuntamento tra le parti.

→ Capacità del sistema di adattarsi a

sforzi non applicati nel baricentro del

sedile.

4. Soluzione cinematismo a pantografo.


IL PROTOTIPOVALUTAZIONE DELLE MODIFICHE APPORTATE AL PROGETTO

Dopo i test effettuati per ogni singola soluzione, scelgo di inserire le

seguenti modifiche nel progetto:

1. Singola molla centrale;

2. Sistema di guida cinematismo a pantografo;

3. Non utilizzo dello smorzatore idraulico. Secondo valutazioni soggettive del

sistema l’attrito prodotto dalla guarnizione offra già uno smorzamento

adeguato.


PROGETTO FINALEVERIFICA DEL CINEMATISMO DI GUIDA

Verifico che il cinematismo resista alla forza massima agente sul sedile,

ossia quella in corrispondenza di un picco di accelerazione di “2g”, con una

massa di 110kg e un C.S.=3.


PROGETTO FINALESTRUTTURA FINALE

La struttura del sedile non viene

modificata, rimane quella progettata

inizialmente.

Il sedile è completato con

l’imbottitura e il rivestimento esterno

secondo le caratteristiche

ergonomiche e di comfort dei sedili

sportivi.


ANALISI DEI COSTI

STRUTTURA SEDILE (Fe 360) → 150 Є

CILINDRI PER MOLLE → 30 Є

GUARNIZIONE → 10 Є

COMPRESSORE DP0105 “Nitto Kohki” → 150 Є

CINEMATISMO A PANTOGRAFO (Fe 510) → 50 Є

RELÈ → 5 Є

IMBOTTITURA E RIVESTIMENTO → 250 Є

CIRCUITI PNEUMATICO ED ELETTRICO → 10Є

MANODOPERA → 200Є

VALUTO IL COSTO DEI SINGOLI COMPONENTI DEL SEDILE

TOTALE≈900 Є


CONCLUSIONIL’obiettivo iniziale di progettare un sedile innovativo

ammortizzato, costruirne il prototipo e valutarne le funzionalità è

stato realizzato con successo.

Le specifiche progettuali richieste inizialmente per un sedile

sportivo sono state raggiunte.

Naturalmente, prima di poter affermare che la soluzione è idonea

ad essere commercializzata servono ulteriori analisi e prove

sperimentali con il sedile installato sull’autovettura

Gli aspetti che dovranno essere valutati in fasi successive sono:

1. Valutare l’inserimento nel sistema dell’ammortizzatore idraulico;

2. Completare il sedile di imbottitura e rivestimento esterno;

3. Ingegnerizzazione avanzata dei singoli componenti.

RINGRAZIAMENTI

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