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

CAD 3-d nella CAD 3-d nella progettazione meccanica: progettazione meccanica:

elaborazione dielaborazione disospensioni per off-road sospensioni per off-road

estremo.estremo.

FACOLTA’ DI INGEGNERIA MECCANICADisegno di Macchine 2

Ing. Ennio SalvatiCAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo14/06/2010

SOMMARIOSOMMARIO

A. Introduzione al CAD 3-d nella progettazione meccanica.

B. Aspetti principali dei software CAD 3-d.

C. Applicazione all’elaborazione di sospensioni per off-road estremo.

14/06/2010 2 AIng. Ennio Salvati

CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

Generalità Generalità

Semplicità d’utilizzo: interfaccia Semplicità d’utilizzo: interfaccia “user-friendly”.“user-friendly”.

Elevate precisione e Elevate precisione e personalizzazione del modellopersonalizzazione del modello

Compatibilità elevata con altri Compatibilità elevata con altri softwaresoftware

Resa grafica elevata, ottenibile Resa grafica elevata, ottenibile solo con hardware adeguato.solo con hardware adeguato.

14/06/2010 3 AIng. Ennio Salvati


PARTEPARTE

Struttura fileStruttura file

ASSIEMEASSIEME

ComplessivoComplessivo

14/06/2010

Contiene tutte le lavorazioni per

ottenere il pezzo finito.

Contiene tutti gli accoppiamenti tra le

varie parti.

Costituisce l’assemblaggio finale in

cui si posizionano gli assiemi. 4 A

Ing. Ennio SalvatiCAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo

Principali utilizzi Principali utilizzi ingegneristiciingegneristici

14/06/2010

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.

5 AIng. Ennio Salvati


Pro e contro dei due approcciPro e contro dei due approcci

14/06/2010

Progettazione ex-novoPRO

Maggior libertà progettuale. Soluzione ottima.

Progettazione ex-novo

CONTRO• Molte variabili da considerare.• Studio di fattibilità complesso.

OttimizzazionePRO

Obiettivi facilmente individuabili. Tempi solitamente più brevi.

OttimizzazioneCONTRO

• Compromessi da rispettare.• Minor innovazione.



Vantaggi della progettazione Vantaggi della progettazione CADCAD

14/06/2010

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.



Ipotesi semplificative più Ipotesi semplificative più comunicomuni

14/06/2010

Modellazione e semplificazione delle sole parti necessarie.

Corpi rigidi.

8 BIng. Ennio Salvati


PARTEPARTE

Metodologia di Metodologia di modellazionemodellazione

ASSIEMEASSIEME

ComplessivoComplessivo

Verifica Verifica dimensionaledimensionale

(quote “digitali” vs (quote “digitali” vs quote reali)quote reali)

SI

NO

Verifica Verifica posizioneposizione

relativa tra relativa tra partiparti

SI

NO

Verifica ingombri Verifica ingombri complessivi e complessivi e

posizionamento posizionamento assolutoassoluto

14/06/2010 9 BIng. Ennio Salvati


Modellazione singole PartiModellazione singole Parti

14/06/2010

1) Rilevazione sperimentale delle sole dimensioni necessarie o lettura dei disegni tecnici.

2) Applicazione logica “Cad-Cam” nella modellazione.

3) Possibilità di riprodurre un’ unica parte, ripetuta più volte nel complessivo.



Criticità delle singole PartiCriticità delle singole Parti

14/06/2010

Misurazioni “funzionali” per gli scopi.

Non riprodurre particolari ininfluenti sugli obbiettivi. 11 B


Composizione dell’ AssiemeComposizione dell’ Assieme

14/06/2010

1) Analisi delle coppie cinematiche, con eventuali modifiche in “ottica corpi rigidi”.

2) Individuazione assi e centri del moto relativo tra i membri.

3) Simulazioni di verifica per ogni accoppiamento stabilito.



Criticità dell’ AssiemeCriticità dell’ Assieme

14/06/2010

Errori causati delle singole parti oppure dagli accoppiamenti stabiliti.

“Sovradefinizione” dell’assieme, reso iperstatico.



Unione di assiemi: Unione di assiemi: “Complessivo”“Complessivo”

14/06/2010

1) Comprensione preliminare del meccanismo completo: parti fondamentali e funzionamento.

2) Unione degli assiemi secondo il layout complessivo.

3) Verifica finale della conformità dimensionale, spaziale e cinematica nel riferimento assoluto.



Criticità del “Complessivo”Criticità del “Complessivo”

14/06/2010

Elementi “fissi”: non dimenticare il telaio.

“Vincoli di posizionamento”: influenti sulle simulazioni.



Iter di realizzazione modello Iter di realizzazione modello JKJK

Studio preliminare teorico dello Studio preliminare teorico dello schema sospensivo.schema sospensivo. Campagna di misure sperimentali.Campagna di misure sperimentali.

Realizzazione parti ed assiemi.Realizzazione parti ed assiemi.

Verifica della congruenza con la realtà.Verifica della congruenza con la realtà.

Utilizzo del modello per l’ analisi delle Utilizzo del modello per l’ analisi delle performance.performance.14/06/2010 16 C


Studio teorico dello schema Studio teorico dello schema sospensivosospensivo

È importante per:

• Conoscere la natura del problema.

• Impostare misurazioni con logica CAD-CAM.

• Ipotizzare successive soluzioni realizzative.

17 C14/06/2010Ing. Ennio Salvati


““Ponte rigido a 5 punti di Ponte rigido a 5 punti di ancoraggio”ancoraggio”

Upper arms e lower arms

Panhard bar

Sway bar

Drag link

Tie rod



Rilevazione sperimentaleRilevazione sperimentale

Logica CAD - Logica CAD -

CAMCAM

Le misurazioni delle grandezze di interesse vengono effettuate in funzione della successiva riproduzione CAD 3D




ModalitàModalità

• Sessioni consecutive parallelamente alla realizzazione.

• Misure essenziali ma “funzionali”.

• Maggiore attenzione a particolari di ingombro esterni.




• 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”.



Singoli Singoli pezzipezzi

arms; bars; arms; bars; links…links…


Sistemi Sistemi sospensivisospensivi

front susp.; rear susp.; front susp.; rear susp.; chassischassis

ComplessivoComplessivofront + chassis + front + chassis +

rearrear

Verifica dimensionale

(quote “digitali” vs quote reali)

SI

NO

Verifica posizione

relativa tra parti

SI

NO

Verifica ingombri complessivi e

posizionamento assoluto




Distanza dal suolo (asse ponte – suolo; attacco lower – suolo)

Distanze relativeattacchi lower – attacchi

upper



Realizzazione partiRealizzazione partiSemplificazione geometrie



Revisione vincoliRevisione vincoliBarra anti-rollio

Realizzazione partiRealizzazione parti



Realizzazione partiRealizzazione partiRevisione vincoli: ripristino rigidezza dei

sistemi.La sostituzione di cilindriche con sferiche La sostituzione di cilindriche con sferiche incrementa il numero di g.d.l. del incrementa il numero di g.d.l. del sistema. L’imposizione di vincoli di sistema. L’imposizione di vincoli di perpendicolarità tra superfici e/o piani perpendicolarità tra superfici e/o piani ripristina la rigidezza della sospensione.ripristina la rigidezza della sospensione.



Realizzazione partiRealizzazione partiModellazione di elementi a geometria

complessa:“immagine dello schizzo”



Realizzazione partiRealizzazione parti

Elementi di Elementi di ancoraggio ancoraggio

longitudinale e longitudinale e trasversaletrasversale

PontePonte

Organi di sterzoOrgani di sterzo Barra anti-rollio Barra anti-rollio



Assemblaggio parti realizzato dopo la Assemblaggio parti realizzato dopo la misurazione di:misurazione di:

• “ “punti guida” (distanze relative tra le parti e punti guida” (distanze relative tra le parti e degli attacchi al telaio rispetto al suolo);degli attacchi al telaio rispetto al suolo);

• “ “distanze equivalenti” (distanza verticale distanze equivalenti” (distanza verticale telaio-ponte lungo l’asse della molla per telaio-ponte lungo l’asse della molla per simularne l’ estensione a riposo);simularne l’ estensione a riposo);

Realizzazione assiemiRealizzazione assiemiIpotesi di base:Ipotesi di base:

Telaio “virtuale” (non modellato) Telaio “virtuale” (non modellato)

h

h



Realizzazione assiemiRealizzazione assiemiIl 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.



Realizzazione assiemiRealizzazione assiemi

Verifica coincidenza posizioni assolute e relative delle parti modellate tramite il

confronto con gli elementi reali.

Verifica fedeltà modelloVerifica fedeltà modello

In caso di errori In caso di errori (es. impossibilità (es. impossibilità accoppiamenti accoppiamenti

causa lunghezze causa lunghezze arms arms

incongruenti con incongruenti con distanze att. distanze att. ponte – att. ponte – att. telaio, ecc.) telaio, ecc.)

OTTIMIZZAZIONOTTIMIZZAZIONEE

Modifica Modifica componenti in componenti in funzione della funzione della cinematica del cinematica del

sistema (es. sistema (es. distanze distanze

ancoraggi telaio - ancoraggi telaio - ponte più ponte più

importanti di importanti di lunghezza lunghezza

assoluta arms) assoluta arms)



Realizzazione assiemiRealizzazione assiemiVerifica fedeltà modello: angoli Verifica fedeltà modello: angoli

caratteristicicaratteristici



(www.Project-JK.com)

Realizzazione Realizzazione “complessivo”“complessivo”

Assemblaggio assiemiAssemblaggio assiemi



Realizzazione complessivoRealizzazione complessivoPotenzialità di “rendering”Potenzialità di “rendering”



Validazione del “complessivo”

Necessità di verifiche cinematiche Necessità di verifiche cinematiche preliminaripreliminari

SolidWorksSolidWorks file file “parasolid”“parasolid”

ADAMSADAMSSolo Solo

informazioni su informazioni su geometriegeometrie• parametricitàparametricità

• semplici semplici modellazionimodellazioni geometrichegeometriche

• potenzialità CADpotenzialità CAD limitatelimitate• elevata elevata precisione diprecisione di analisianalisi



Analisi modello: definizione Analisi modello: definizione angoli caratteristici della angoli caratteristici della

sospensionesospensione• Assetto del veicoloAssetto del veicolo::

Angolo CamberAngolo CamberAngolo CasterAngolo CasterAngolo KingpinAngolo KingpinAngolo ToeAngolo Toe

• Grandezze Grandezze off-roadoff-road::Angolo di attacco, di uscita e di Angolo di attacco, di uscita e di

ramparampaAngolo di Angolo di twisttwist



Angolo di attacco, di uscita e di rampa Angolo di attacco, di uscita e di rampa

Originale Modificato

Angolo attacco

38° 46° 21%

Angolo uscita

31° 43° 39%

Angolo rampa

10° 15° 50%

Angolo di uscita Angolo di rampa Angolo di attacco

Analisi modello: rilevazione Analisi modello: rilevazione angoli caratteristici nell’ off-angoli caratteristici nell’ off-

roadroad



Angolo di Angolo di twisttwist

Originale Modificato

Sospensione anteriore

5.3° 8.7° 64%

Sospensione posteriore

5.2° 10.9° 109%

Analisi modello: rilevazione Analisi modello: rilevazione angoli caratteristici nell’ off-angoli caratteristici nell’ off-

roadroad



Variazione rispetto alla “condizione neutra (-Variazione rispetto alla “condizione neutra (-0,8°)”0,8°)”

• Bump (su)Bump (su): : maggiore motricità maggiore motricità in per aumento in per aumento impronta impronta battistradabattistrada

layout originale layout modificato


Analisi modello: Camber Analisi modello: Camber

• Rebound (giù):Rebound (giù): la la massima impronta massima impronta a terra a terra ((ΔΔcam.=+0,8°) si cam.=+0,8°) si raggiunge prima raggiunge prima con il sistema con il sistema modificato.modificato.



• Bump (su)Bump (su): : evidente differenza evidente differenza di variazione tra i di variazione tra i due assetti.due assetti.

• Variazioni di Variazioni di convergenza non convergenza non influiscono molto a influiscono molto a basse velocità: non è basse velocità: non è un problema in un problema in off-off-road.road.



Analisi modello: Toe Analisi modello: Toe



Variazione rispetto alla “condizione neutra (in Variazione rispetto alla “condizione neutra (in 0,5°)”0,5°)”

• Bump (su)Bump (su): : aumento aumento minore nel minore nel layout layout modificato modificato rispetto al rispetto al layout layout originaleoriginale

• Migliore direzionalità Migliore direzionalità in curve lentein curve lente• Minore coppia Minore coppia autoallineante, quindi autoallineante, quindi maggior agilità in cambi maggior agilità in cambi di direzionedi direzione



Analisi modello: Caster Analisi modello: Caster Variazione rispetto alla “condizione neutra Variazione rispetto alla “condizione neutra

(+4,2°)”(+4,2°)”



• Bump (su)Bump (su): : Variazioni non Variazioni non eccessive: eccessive: mantenimento mantenimento dell’ equilibrio dell’ equilibrio globale.globale.

• Rebound (giù)Rebound (giù): : Accentuate Accentuate variazioni in variazioni in reboundrebound non non influiscono su influiscono su handling.handling.



Analisi modello: Kingpin Analisi modello: Kingpin Variazione rispetto alla “condizione neutra Variazione rispetto alla “condizione neutra

(+12°)”(+12°)”



Realizzazione di uno strumento per lo studio Realizzazione di uno strumento per lo studio del comportamento cinematico della del comportamento cinematico della sospensione.sospensione.

Analisi atte alla previsione e all’ Analisi atte alla previsione e all’ ottimizzazione delle prestazioni del veicolo.ottimizzazione delle prestazioni del veicolo.

Verificato il miglioramento complessivo nell’ Verificato il miglioramento complessivo nell’ assetto del veicolo e nell’utilizzo assetto del veicolo e nell’utilizzo off-roadoff-road..

Conclusioni Applicazione JKConclusioni Applicazione JK



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