Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica...

Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica

PROGETTAZIONE DI TELAI AUTOMOBILISTICI“SPACE FRAME” IN LEGA LEGGERA

CON PARTICOLARE RIGUARDO A SOLUZIONI DI TIPO MODULARE

Tesista: Marco Traverso Relatore: Prof. Ing. Umberto Pighini

Correlatore: Ing. Mario Fargnoli

A.A. 2000/2001A.A. 2000/2001

Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica

Telaio “Space Frame” - Definizione e caratteristiche

Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica

- Struttura reticolare- Separazione funzionale telaio - carrozzeria - Ampia gamma di materiali e tecnologie

Soluzione di crescente interesse

Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001

Struttura della Tesi



Applicazione: City CarApplicazione: City CarDocumentazioneDocumentazione

Tipologie costruttiveTipologie costruttive

MaterialiMateriali

TecnologieTecnologie

Chiarimentodel compito


Progetto preliminareProgetto preliminare

Concezione delSistema Meccanico


Layout del veicoloLayout del veicolo

Documentazione - Tipologie costruttive




Evoluzione storicaEvoluzione storica

Vetture di serieVetture di serie

Concept CarsConcept Cars

Ricerche e SviluppiRicerche e Sviluppi

Tipologie costruttive - Evoluzione storica



1900 19701910 1920 1930 1940 20001990198019601950

Cisitalia (1945)

Lancia Lambda (1922)

Fiat VSS (1978) Honda NSX (1991)Jaguar E type (1961)

Renault R16 (1965) Mercedes 190 (1984)Ford Chassis (’50)

Tipologie costruttive - Stato della tecnica




Soluzione per il 95% delle vetture di attuale produzione:

Scocca portante in lamiera di acciaio stampata e saldata

5%

95%

Scocca inacciaioAltro

Documentazione: Materiali e Tecnologie



MaterialiMateriali

Leghe di alluminioLeghe di alluminio

• Leggerezza

• Possibilità di estrusione e pressofusione

TecnologieTecnologie

Confronto con l’acciaioTecnologie dilavorazione

Tecnologie dilavorazione

Tecnologie digiunzione

Tecnologie digiunzione

• Confronto con Stampaggio e Saldatura a Punti

• Applicazione alle leghe di alluminio

Riferimento: Scocca stampata in acciaio

Scocca in acciaio



Vantaggi:

• Buone prestazioni generali

• Costi ridotti per elevati volumi produttivi

Svantaggi:

• Peso elevato

• Costi molto elevati per volumi produttivi medio-bassi

Space Frame

Vantaggi:

• Peso contenuto

• Costi ridotti per volumi produttivi medio-bassi

Svantaggi:

• Tecniche specifiche di lavorazione e assemblaggio

• Alti costi per volumi produttivi elevati

Confronto Space Frame - Scocca in acciaio



Costi di produzione

fonte: Materials System Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, 1998.

Applicazione: City Car multifunzionale



Progettazione di massimadi un telaio Space Frame

Progettazione di massimadi un telaio Space Frame



Progetto preliminareProgetto preliminare



Layout del veicoloLayout del veicolo

Chiarimento del Compito



Chiarimento del CompitoChiarimento del Compito

Raccolta datiRaccolta dati

Studio di fattibilitàStudio di fattibilità

Lista dei RequisitiLista dei Requisiti

Chiarimento del Compito - Studio di fattibilità



Studio di fattibilitàStudio di fattibilità

Fattibilità tecnicaFattibilità tecnica

Fattibilità economicaFattibilità economica



Studio di fattibilità

Layout generale del veicolo

Studio di fattibilità



PROPULSIONEMCI (Diesel o benzina)

Ibrida

POSIZIONE MOTORE Anteriore trasversale

TRAZIONE Anteriore

POTENZA MAX 11-40 kW

CAPACITÀ SERBATOIO

CARBURANTE20 litri

TRASMISSIONEAutomatica

(frizione centrifuga o CVT)

FRENI ANTERIORI Disco

FRENI POSTERIORI Disco o tamburo

Caratteristiche meccaniche principali

Chiarimento del Compito - Lista dei Requisiti



CARATTERISTICHE DEL SM RICHIESTO DESIDERATO

FUNZIONE

Trasporto di persone e merci

CONDIZIONI DI IMPIEGO

Impiego urbano

Impiego extraurbano

Impiego con condizioni metereologiche

sfavorevoli

CORPO VETTURA

2 posti

4 posti

Capacità di carico minima 150 l




DIMENSIONI E PESO

Lunghezza max 3000 mm

Lunghezza max 2600 mm

Larghezza max 1350-1500 mm

Altezza max 1450-1750 mm

Peso max a vuoto senza batterie 350-

400 kg

Peso max a pieno carico 550 kg

SPECIFICHE TECNICHE GENERALI DEL VEICOLO

Propulsione mediante MCI

Propulsione ibrida

PRESTAZIONI

Stabilità e tenuta di strada elevate




SICUREZZA

Elevata sicurezza attiva e passiva

Rispetto norme vigenti

Sicurezza superiore a quella indicata

dalle norme vigenti

COMFORT DI MARCIA

Isolamento acustico e vibrazionale

dell’abitacolo

Abitabilità adeguata

Facile accessibilità

Visibilità

AFFIDABILITÀ

Elevata



MANUTENZIONE

Accessibilità per la manutenzione

Semplicità di riparazioni e/o sostituzioni

strutturali

Resistenza ad impatti a bassa velocità

Resistenza ad ammaccature e graffi

…

...



Concezione del Sistema Meccanico (SM)

Concezione del SMConcezione del SM

Studio della FunzioneStudio della Funzione

Attuatori delleFunzioni ParzialiAttuatori delle

Funzioni Parziali

Schemi di PrincipioSchemi di Principio

ValutazioneValutazione

Principio TecnologicoPrincipio Tecnologico

Processo TecnicoProcesso Tecnico

Struttura della funzioneStruttura della funzione

Tabella MorfologicaTabella Morfologica

Funzioni -> Soluzioni costruttiveFunzioni -> Soluzioni costruttive



Concezione del SM - Schemi di Principio

Schema di principio n.1 Schema di principio n.2

Struttura stampata conpianale ad elementi estrusi

Space Frame composto da profilati estrusi



Concezione del SM - Schemi di Principio

Valutazione qualitativa

Schema di principio ottimale = SP 2



Progetto Preliminare

Caratteristiche della struttura

MaterialiMateriali

Profilati estrusi: lega AA 6061-T6Limite elastico: σy = 265 N/mm2

Parti stampate: lega AA 6015-T4

ComponentiComponenti

Profilati estrusi rettilinei con sezioni scatolate rettangolari, monocella e multicella




Ipotesi di Calcolo

• Materiale isotropo, omogeneo, con comportamento elastico lineare

• Massa trascurabile nella determinazioni delle sollecitazioni

• Profilati connessi tra loro mediante nodi infinitamente rigidi

Profilati estrusi schematizzati mediante:

• Nodi estremi I e J

• Sezione trasversale

• Nodo K per orientamento sezione




Metodo di Calcolo

Spostamenti:

Ogni nodo: 6 gradi di libertà

Sollecitazioni:

Ogni nodo: 6 componenti

Componente n-esimo:Equazione costitutiva del tipo {f}n = [k]n {u}n




Metodo di Calcolo

Programmi utilizzati: Ansys 5.7 e SAP 2000 Plus

Risoluzione del problema:

Sistema del tipo {F} = [K] {U}

[K] = matrice sparsa



Progetto PreliminareStruttura di base

Profilati: unica sezione 50x50x3 mm

Verifica statica del pianale




Misurazione della rigidezza torsionale

Rt = Mt / αx

• Mt = Momento torcente applicato

• αx = Rotazione intorno all’asse X (asse di rollio)

αx: 2 nodi di riferimento

1. Attacco sospensioni ant.

2. Mezzeria traversa ant.




Struttura di base e struttura modificata

Analisi di sensibilità

Rinforzi nella zona dei passaruota anteriori e posteriori




Condizioni di carico e di vincolo



Progetto PreliminareAnalisi di sensibilità

Varie configurazioni per il pianale

•Raddoppio di spessore per singoli componenti e gruppi di componenti.

• Profilati aggiuntivi e varie configurazioni per il pianale

Output = Incremento percentuale di peso e rigidezza torsionale

Elementi della cella abitacolo




Ottimizzazione




Struttura ottimizzata




Struttura ottimizzata

VALORE

INIZIALE

VALORE

FINALE

INCREMENTO

(%)

RT SOSP.

(Nm/rad)184000 468000 155%

RT

ABITACOLO

(Nm/rad)

153000 491000 220%

PESO (KG) 45 74 64%




Verifica ai carichi dinamici della struttura ottimizzata

Carichi dinamici: schematizzati mediante il prodotto tra i carichi statici e dei coefficienti moltiplicativi (J.Pawlowski)

Combinazioni di carichi:

•Flessione

•Torsione

Flessione:

σmax = 26 N/mm2 (attacco puntoni ant. - traversa pianale)



Layout del veicolo

Abitabilità: 2-4 passeggeri:Aumento del passo da 1800 a 2150 mm

2 versioni di base: a passo corto e a passo lungo

Passo lungo: Perdita di rigidezza



Layout del veicolo - Abitabilità



Layout del veicolo - Versioni a passo lungo

Versione Pick-up

Versione Cab

Rinforzi:

• Montanti C inf. E sup.

• SRR posteriori

• Traversa tetto post.

Rinforzi:

• Traverse di collegamento tra montanti B



Layout del veicolo - Versione Cab a passo lungo

1. Struttura base a passo corto

2. Struttura base a passo lungo

3. Montanti C, SRR post.

4. Montanti C, SRR post. e traversa post. tetto



Layout del veicolo - Versione Pick-up a passo lungo

1. Struttura base a passo corto

2. Struttura base a passo lungo

3. Traversa inf. montanti B

4. Traversa sup. mont. B

5. Doppia traversa



Layout del veicolo - Versioni a passo corto

Versione Pick-up

Versione Cab

Rinforzi:

• Montanti C inf. E sup.

• SRR posteriori

• Traversa tetto post.

Rinforzi:

• Traverse di collegamento tra montanti B



Layout del veicolo - Versione Cab a passo corto

1. Struttura di base

2. Montanti C e SRR

3. Montanti C, SRR e traversa post.



Layout del veicolo - Versione Pick-up a passo corto

1. Struttura di base

2. Traversa inferiore

3. Traversa superiore

4. Doppia traversa

5. Elementi laterali



Conclusioni

Caso Applicativo

• Space Frame idoneo dal punto di vista strutturale (resistenza e rigidezza)

• Possibilità di ottenere differenti versioni con minimi interventi sul telaio

Space Frame:

• Soluzione competitiva per modelli di nicchia

• Necessità di nuovi approcci progettuali e produttivi

• Possibilità produttive per piccole e/o nuove aziende

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