FACOLTA’ DI INGEGNERIA MECCANICA

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1 FACOLTA’ DI INGEGNERIA MECCANICA
Disegno di Macchine 2 CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

2 SOMMARIO Introduzione al CAD 3-d nella progettazione meccanica.
Aspetti principali dei software CAD 3-d. Applicazione all’elaborazione di sospensioni per off-road estremo. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

3 Generalità Semplicità d’utilizzo: interfaccia “user-friendly”.
Elevate precisione e personalizzazione del modello Compatibilità elevata con altri software Resa grafica elevata, ottenibile solo con hardware adeguato. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

4 Struttura file PARTE ASSIEME Complessivo
Contiene tutte le lavorazioni per ottenere il pezzo finito. ASSIEME Contiene tutti gli accoppiamenti tra le varie parti. Complessivo Costituisce l’assemblaggio finale in cui si posizionano gli assiemi. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

5 Principali utilizzi ingegneristici
Progettazione ex-novo Si parte dalle “specifiche tecniche obiettivo”. Si procede organizzando e ottimizzando ogni fase. Si valutano i risultati secondo la coincidenza con gli obiettivi. Ottimizzazione Si parte dalla comprensione del sistema reale. Si individuano i fattori influenti sulle “grandezze obiettivo”. Si scelgono soluzioni di compromesso. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

6 Pro e contro dei due approcci
Progettazione ex-novo PRO Maggior libertà progettuale. Soluzione ottima. Ottimizzazione PRO Obiettivi facilmente individuabili. Tempi solitamente più brevi. Progettazione ex-novo CONTRO Molte variabili da considerare. Studio di fattibilità complesso. Ottimizzazione CONTRO Compromessi da rispettare. Minor innovazione. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

7 Vantaggi della progettazione CAD
Riduzione costi: errori valutabili virtualmente senza bisogno di utilizzo risorse in modelli sperimentali. Riduzione tempi: eliminazione del “tempo ciclo” per le lavorazioni, eseguite virtualmente. Parametricità delle soluzioni: confronto diretto tra le scelte e valutazioni costi/benefici. Visualizzazione realistica: importanza dell’ osservazione per la comprensione dei meccanismi. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

8 Ipotesi semplificative più comuni
Modellazione e semplificazione delle sole parti necessarie. Corpi rigidi. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

9 Metodologia di modellazione
Verifica dimensionale (quote “digitali” vs quote reali) NO PARTE SI NO ASSIEME Verifica posizione relativa tra parti SI Complessivo Verifica ingombri complessivi e posizionamento assoluto 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

10 Modellazione singole Parti
Rilevazione sperimentale delle sole dimensioni necessarie o lettura dei disegni tecnici. Applicazione logica “Cad-Cam” nella modellazione. Possibilità di riprodurre un’ unica parte, ripetuta più volte nel complessivo. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

11 Criticità delle singole Parti
Misurazioni “funzionali” per gli scopi. Non riprodurre particolari ininfluenti sugli obbiettivi. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

12 Composizione dell’ Assieme
Analisi delle coppie cinematiche, con eventuali modifiche in “ottica corpi rigidi”. Individuazione assi e centri del moto relativo tra i membri. Simulazioni di verifica per ogni accoppiamento stabilito. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

13 Criticità dell’ Assieme
Errori causati delle singole parti oppure dagli accoppiamenti stabiliti. “Sovradefinizione” dell’assieme, reso iperstatico. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

14 Unione di assiemi: “Complessivo”
Comprensione preliminare del meccanismo completo: parti fondamentali e funzionamento. Unione degli assiemi secondo il layout complessivo. Verifica finale della conformità dimensionale, spaziale e cinematica nel riferimento assoluto. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

15 Criticità del “Complessivo”
Elementi “fissi”: non dimenticare il telaio. “Vincoli di posizionamento”: influenti sulle simulazioni. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

16 Iter di realizzazione modello JK
Studio preliminare teorico dello schema sospensivo. Campagna di misure sperimentali. Realizzazione parti ed assiemi. Verifica della congruenza con la realtà. Utilizzo del modello per l’ analisi delle performance. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

17 Studio teorico dello schema sospensivo
È importante per: Conoscere la natura del problema. Impostare misurazioni con logica CAD-CAM. Ipotizzare successive soluzioni realizzative. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

18 “Ponte rigido a 5 punti di ancoraggio”
Drag link Panhard bar Tie rod Sway bar Upper arms e lower arms 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

19 Rilevazione sperimentale
Logica CAD - CAM Le misurazioni delle grandezze di interesse vengono effettuate in funzione della successiva riproduzione CAD 3D 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

20 Rilevazione sperimentale
Modalità Sessioni consecutive parallelamente alla realizzazione. Misure essenziali ma “funzionali”. Maggiore attenzione a particolari di ingombro esterni. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

21 Rilevazione sperimentale
Individuazione piani e punti di riferimento (misura angoli, disposizione spaziale elementi, orientazione elementi ecc.). Utilizzo degli attacchi al telaio come riferimento (punti fissi in CAD 3D). Individuazione dei piani di simmetria. Misure effettuate considerando “corpi rigidi”. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

22 Metodologia di modellazione
Verifica dimensionale (quote “digitali” vs quote reali) NO Singoli pezzi arms; bars; links… SI NO Sistemi sospensivi front susp.; rear susp.; chassis Verifica posizione relativa tra parti SI Complessivo front + chassis + rear Verifica ingombri complessivi e posizionamento assoluto 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

23 Metodologia di modellazione
Distanze relative attacchi lower – attacchi upper Misure di verifica Distanza dal suolo (asse ponte – suolo; attacco lower – suolo) 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

24 Semplificazione geometrie
Realizzazione parti Semplificazione geometrie 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

25 Realizzazione parti Barra anti-rollio Revisione vincoli
Problema di avere corpi rigidi e iperstaticità risolti con cambio vincoli e taglio sway (la cui funzione si ha concentrando le sue caratteristiche elastiche in molla a torsione) 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

26 Revisione vincoli: ripristino rigidezza dei sistemi.
Realizzazione parti Revisione vincoli: ripristino rigidezza dei sistemi. La sostituzione di cilindriche con sferiche incrementa il numero di g.d.l. del sistema. L’imposizione di vincoli di perpendicolarità tra superfici e/o piani ripristina la rigidezza della sospensione. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

27 Realizzazione parti Modellazione di elementi a geometria complessa:
“immagine dello schizzo” La rilevazione di immagini degli elementi si è rivelata essere di fondamentale importanza nella creazione di taluni elementi (quali, per l’ appunto, i mozzi porta-ruota) che presentano una geometria complessa. Per poter ottenere la parte in questione nella sua forma tridimensionale sono state importate (utilizzando lo strumento “immagine dello schizzo”) delle viste dell’ oggetto che sono state opportunamente disposte sui piani principali di disegno. L’ adozione di tale strumento, infatti, ha permesso di impiegare le immagini della parte in realizzazione come base per una fedele riproduzione dei contorni. Operando poi per estrusione, sono stati generati volumi, successivamente modellati per ottenere le superfici effettive dell’ elemento. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

28 Elementi di ancoraggio longitudinale e trasversale
Realizzazione parti Elementi di ancoraggio longitudinale e trasversale Ponte Organi di sterzo Barra anti-rollio 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

29 Realizzazione assiemi
Ipotesi di base: Telaio “virtuale” (non modellato) Assemblaggio parti realizzato dopo la misurazione di: “punti guida” (distanze relative tra le parti e degli attacchi al telaio rispetto al suolo); “distanze equivalenti” (distanza verticale telaio-ponte lungo l’asse della molla per simularne l’ estensione a riposo); h h 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

30 Realizzazione assiemi
Il telaio Il telaio deve essere realizzato in funzione del suo impiego nel modello 3D. In altri termini è fondamentale che: sia realizzato in forma semplificata (riduzione tempi di riproduzione); mantenga i sistemi sospensivi alla distanza reale (passo della vettura); non sia fonte di interferenza al moto delle diverse parti mobili (elementi delle sospensioni, ruote, ecc.) sia possibile collocare su di esso, in maniera equivalente, altre parti essenziali del veicolo (motore, cambio, paraurti, ecc.). N.b. I corpi non hanno proprietà elastiche (corpi rigidi). La geometria approssimata del telaio non altera le performance del veicolo, in termini di “twist cinematico”, nei diversi assetti sospensivi. Nonostante le analisi cinematiche siano state svolte sulle sospensioni singole (non sul sistema “vettura” complessivo) è stato realizzato il telaio in modo semplificato per valutare le grandezze dell’off-road (angoli di attacco vari) ed eventuali applicazioni di studio della dinamica del veicolo(o quello che vorrai dire tu) 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

31 Realizzazione assiemi
Verifica fedeltà modello Verifica coincidenza posizioni assolute e relative delle parti modellate tramite il confronto con gli elementi reali. In caso di errori (es. impossibilità accoppiamenti causa lunghezze arms incongruenti con distanze att. ponte – att. telaio, ecc.) OTTIMIZZAZIONE Modifica componenti in funzione della cinematica del sistema (es. distanze ancoraggi telaio - ponte più importanti di lunghezza assoluta arms) Riquadro OTIIMIZZAZIONE si intende che a causa di probabili errori di misurazione alcuni componenti potrebbero essere risultati incompatibili con il meccanismo in quanto più lunghi o più corti. Essendo state rilevate più volte ed essendo più imprtanti per la cinematica della sosp., si è ritenuto opportuno valutare le dimensioni relative di assieme “vere” rispetto a quelle assolute dei componenti. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

32 Realizzazione assiemi
Verifica fedeltà modello: angoli caratteristici ( Il confronto è stato effettuato in condizioni di riposo,sia del veicolo che dei modelli 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

33 Realizzazione “complessivo”
Assemblaggio assiemi 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

34 Realizzazione complessivo
Potenzialità di “rendering” 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

35 Validazione del “complessivo”
SolidWorks ADAMS file “parasolid” Solo informazioni su geometrie parametricità semplici modellazioni geometriche potenzialità CAD limitate elevata precisione di analisi Necessità di verifiche cinematiche preliminari 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

36 Analisi modello: definizione angoli caratteristici della sospensione
Assetto del veicolo: Angolo Camber Angolo Caster Angolo Kingpin Angolo Toe Grandezze off-road: Angolo di attacco, di uscita e di rampa Angolo di twist 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

37 Analisi modello: rilevazione angoli caratteristici nell’ off-road
Angolo di attacco, di uscita e di rampa Angolo di uscita Angolo di rampa Angolo di attacco Originale Modificato  Angolo attacco 38° 46° 21% Angolo uscita 31° 43° 39% Angolo rampa 10° 15° 50% 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

38 Analisi modello: rilevazione angoli caratteristici nell’ off-road
Angolo di twist Originale Modificato  Sospensione anteriore 5.3° 8.7° 64% Sospensione posteriore 5.2° 10.9° 109% 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

39 Analisi modello: Camber
Variazione rispetto alla “condizione neutra (-0,8°)” layout originale layout modificato Bump (su): maggiore motricità in per aumento impronta battistrada layout originale layout modificato Rebound (giù): la massima impronta a terra (Δcam.=+0,8°) si raggiunge prima con il sistema modificato. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

40 Variazione rispetto alla “condizione neutra (in 0,5°)”
Analisi modello: Toe Variazione rispetto alla “condizione neutra (in 0,5°)” layout originale layout modificato Bump (su): evidente differenza di variazione tra i due assetti. layout originale layout modificato Variazioni di convergenza non influiscono molto a basse velocità: non è un problema in off-road. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

41 Analisi modello: Caster
Variazione rispetto alla “condizione neutra (+4,2°)” layout originale layout modificato Bump (su): aumento minore nel layout modificato rispetto al layout originale layout originale layout modificato Migliore direzionalità in curve lente Minore coppia autoallineante, quindi maggior agilità in cambi di direzione 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

42 Analisi modello: Kingpin
Variazione rispetto alla “condizione neutra (+12°)” layout originale layout modificato Bump (su): Variazioni non eccessive: mantenimento dell’ equilibrio globale. layout originale layout modificato Rebound (giù): Accentuate variazioni in rebound non influiscono su handling. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

43 Conclusioni Applicazione JK
Realizzazione di uno strumento per lo studio del comportamento cinematico della sospensione. Analisi atte alla previsione e all’ ottimizzazione delle prestazioni del veicolo. Verificato il miglioramento complessivo nell’ assetto del veicolo e nell’utilizzo off-road. 14/06/2010 Ing. Ennio Salvati CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo