Indagini numerico sperimentali sul comportamento dinamico di una linea di trasmissione di un veicolo commerciale leggero

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L’attività in oggetto è stata svolta preso la sede CNH Industrial-IVECO di Torino. Obiettivo principale è stato definire una metodologia di progettazione di alberi di trasmissione di un veicolo commerciale leggero nelle più significative condizioni di funzionamento, con lo scopo di ottimizzare i parametri di progetto per ridurre le sollecitazioni causate dalle eccitazioni vibrazionali.

L’analisi NVH sulle trasmissioni è di fondamentale importanza per poter prevedere e controllare fenomeni vibrazionali, che possono verificarsi durante determinate manovre operate dal veicolo, quali trepidazioni e booming. Nell’ottica di un approccio vibrazionale è importante, quindi, definire una metodologia di progettazione che tenga conto delle possibili conseguenze legate alla variazione di determinati parametri progettuali.

Il primo approccio al problema è stato di tipo analitico: sono state individuate tre differenti categorie di sollecitazioni, ognuna con effetti e caratteristiche peculiari; esistono infatti eccitazioni torsionali, eccitazioni d’inerzia e coppie secondarie.  Dopo la trattazione analitica si è cercata una correlazione pratica, tenendo conto delle variazioni dei parametri di input, su un sistema semplificato di driveline.

L’ambiente di lavoro adottato è stato il software MSC Adams/Car.

Il punto di partenza è stato un modello multibody semplificato realizzato dallo Sviluppo Prodotto Iveco. Il modello è composto principalmente da tre subsystems:

  • gruppo motopropulsore anteriore;
  • gruppo albero di trasmissione (alberi, giunti, scorrevole, supporti);
  • gruppo attuatori posteriore.

Figura 1: Modello multibody driveline

Nel modello sono presenti elementi di tipo “bushing” per simulare i supporti motore e trasmissione, “nonlinear beam” per simulare gli alberi, elementi rigidi per simulare gli altri componenti della trasmissione. Sono state aggiunte delle “request” per monitorare accelerazioni torsionali degli alberi, accelerazioni e forze di reazione sui supporti della trasmissione. Sono state implementate due configurazioni principali: trasmissione con due alberi e trasmissione con tre alberi. Sul sistema bitronco è stata fatta un’analisi della relazione tra parametri di progetto e fenomeni vibrazionali, sul sistema con tre alberi, invece, è stato svolto un processo di ottimizzazione sui parametri di progetto in modo da ridurre le sollecitazioni sul sistema.

Prima di iniziare gli studi sui fenomeni vibrazionali è stata fatta un’analisi modale. È emerso che durante le prove veniva sollecitata una particolare frequenza propria del sistema legata al supporto, questo fenomeno causava risultati falsati, dato che lo scopo di questo stadio dello studio era analizzare i fenomeni e non la trasmissione vera e propria è stato svolto un processo iterativo, agendo sulla rigidezza del supporto, per spostare la risonanza in modo da non generare disturbi.

Figura 2: Analisi modale
Figura 3: Confronto curve a rigidezza supporto variabile

Dopo aver studiato i fenomeni vibratori e come sono influenzati dalle variazioni dei parametri di progetto è stato considerato il sistema a tre alberi e variando l’altezza dei supporti, l’angolo al ponte e la fasatura dei giunti cardanici è stato svolto un processo di ottimizzazione in modo da ridurre le forze di reazione sui supporti e le oscillazioni delle accelerazioni torsionali degli alberi. Per fare ciò è stato utilizzato MSC Adams/Insight definendo gli input da variare e le funzioni obiettivo da minimizzare.

Figura 4: Adams Insight

Dopo una prima fase di validazione del modello, dove sono state variate la distribuzione delle masse e le rigidezze dei supporti per far convergere i risultati sperimentali con quelli provenienti dalle prove software, è stata fatta un’analisi comparativa tra configurazione non ottimizzata e configurazione ottimizzata.

Figura 5: Confronto ottimizzazione

Dalla prima parte dello studio è emerso che: le eccitazioni torsionali agiscono a velocità di rotazione degli alberi bassa e coppia alta; le eccitazioni d’inerzia sono preponderanti in condizioni di elevata velocità di rotazione; infine le coppie secondarie hanno un’importanza primaria quando la coppia applicata all’albero assume valori elevati.

Nella seconda parte si visto che coppia e velocità hanno un effetto primario sulle sollecitazioni vibrazionali, la prima agisce sulle coppie secondarie, la seconda sulle sollecitazioni d’inerzia. È altresì importante considerare la geometria del sistema in quanto angoli e fasatura dei giunti cardanici sono in grado di ridurre o amplificare in modo significativo le sollecitazioni vibrazionali sul sistema.

In conclusione, se la metodologia di progettazione e ottimizzazione svolta tramite software MSC Adams sarà supportata da prove sperimentali che ne confermino l’effettiva validità, essa risulta potenzialmente applicabile a ogni tipologia di albero di trasmissione.

Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica presso il Politecnico di Torino

Laureando: Marco Di Pietro
Relatori: Professor Aurelio Somà, Ing. Nicolò Zampieri
Tutor: Ing. Vittorio Dal Col