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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
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Struttura della Tesi
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001
Applicazione: City CarApplicazione: City CarDocumentazioneDocumentazione
Tipologie costruttiveTipologie costruttive
MaterialiMateriali
TecnologieTecnologie
Chiarimentodel compito
Chiarimentodel compito
Progetto preliminareProgetto preliminare
Concezione delSistema Meccanico
Concezione delSistema Meccanico
Layout del veicoloLayout del veicolo
Documentazione - Tipologie costruttive
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Tipologie costruttiveTipologie costruttive
Evoluzione storicaEvoluzione storica
Vetture di serieVetture di serie
Concept CarsConcept Cars
Ricerche e SviluppiRicerche e Sviluppi
Tipologie costruttive - Evoluzione storica
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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
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Tipologie costruttiveTipologie costruttive
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
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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
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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
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Costi di produzione
fonte: Materials System Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, 1998.
Applicazione: City Car multifunzionale
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Progettazione di massimadi un telaio Space Frame
Progettazione di massimadi un telaio Space Frame
Chiarimentodel compito
Chiarimentodel compito
Progetto preliminareProgetto preliminare
Concezione delSistema Meccanico
Concezione delSistema Meccanico
Layout del veicoloLayout del veicolo
Chiarimento del Compito
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Chiarimento del CompitoChiarimento del Compito
Raccolta datiRaccolta dati
Studio di fattibilitàStudio di fattibilità
Lista dei RequisitiLista dei Requisiti
Chiarimento del Compito - Studio di fattibilità
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Studio di fattibilitàStudio di fattibilità
Fattibilità tecnicaFattibilità tecnica
Fattibilità economicaFattibilità economica
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Studio di fattibilità
Layout generale del veicolo
Studio di fattibilità
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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
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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
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CARATTERISTICHE DEL SM RICHIESTO DESIDERATO
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
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CARATTERISTICHE DEL SM RICHIESTO DESIDERATO
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
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MANUTENZIONE
Accessibilità per la manutenzione
Semplicità di riparazioni e/o sostituzioni
strutturali
Resistenza ad impatti a bassa velocità
Resistenza ad ammaccature e graffi
…
...
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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
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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
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Concezione del SM - Schemi di Principio
Valutazione qualitativa
Schema di principio ottimale = SP 2
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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
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Progetto Preliminare
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
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Progetto Preliminare
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
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Progetto Preliminare
Metodo di Calcolo
Programmi utilizzati: Ansys 5.7 e SAP 2000 Plus
Risoluzione del problema:
Sistema del tipo {F} = [K] {U}
[K] = matrice sparsa
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Progetto PreliminareStruttura di base
Profilati: unica sezione 50x50x3 mm
Verifica statica del pianale
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Progetto Preliminare
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.
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Progetto Preliminare
Struttura di base e struttura modificata
Analisi di sensibilità
Rinforzi nella zona dei passaruota anteriori e posteriori
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Progetto Preliminare
Condizioni di carico e di vincolo
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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
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Ottimizzazione
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Struttura ottimizzata
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Progetto Preliminare
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%
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
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)
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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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
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Layout del veicolo - Abitabilità
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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
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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
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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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
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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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
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo - Versione Cab a passo corto
1. Struttura di base
2. Montanti C e SRR
3. Montanti C, SRR e traversa post.
Tesista: Marco Traverso Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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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
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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