Ottimizzazione dei sistemi di trasmissione: Il ruolo delle tolleranze dimensionali nelle auto sportive e ad alte prestazioni

I meccanismi del cambio controllano la qualità e l'efficacia dell'innesto delle marce. Ciò influisce sulla velocità, sull'accelerazione e sui consumi del veicolo, riflettendosi quindi significativamente sulle prestazioni.

L'uso di strumenti specialistici per testare diverse tolleranze dimensionali può contribuire a migliorare le prestazioni del veicolo e a ridurne i costi di produzione complessivi.

Analisi dell'influenza delle variabili di progetto sul comportamento dei componenti

Le tolleranze sui componenti sono definite da specifiche di progettazione; quando però i componenti costituiscono un meccanismo con una missione specifica, la precisione è di vitale importanza. I componenti, infatti, potrebbero avere movimenti relativi, non desiderati, lungo la catena cinematica, con conseguenti spostamenti imprevisti (superiori o inferiori).

 "Utilizzando questa strategia di analisi, il team ha subito identificato i potenziali malfunzionamenti e adeguato le tolleranze dimensionali di conseguenza. Ciò ha migliorato le prestazioni del sistema, consentendo inoltre le modifiche necessarie a ridurre i costi di produzione complessivi."

Il requisito di precisione nel movimento all'interno del sistema dipende dall'accuratezza con cui viene realizzato ogni componente, compresa una normale variabilità all'interno del processo produttivo.

I sistemi hanno un diverso comportamento. Per questo motivo, è importante conoscere l'influenza di ogni variabile di progetto al fine di modificarla e avere un corretto funzionamento del sistema. In questo modo, siamo in grado di garantire il corretto funzionamento di ogni meccanismo.

Ottimizzazione dell'interazione dei componenti nei sistemi di comando del cambio

Abbiamo utilizzato un modello virtuale (Digital Twin) per identificare l'influenza delle tolleranze su una serie di componenti. I componenti in questione erano una catena di elementi cinematici all'interno di un meccanismo di movimentazione, progettato per esser parte di un sistema di comando del cambio.

Il movimento fluido e preciso del meccanismo di comando e la velocità di innesto delle marce sono importanti per aumentare il valore aggiunto delle vetture sportive ad alte prestazioni.

La figura 1 mostra due componenti. Il componente giallo funge da guida al componente blu per ottenere una posizione precisa nell'innesto della marcia desiderata. Il movimento risultante è dovuto al sottogruppo del sistema di controllo del cambio, un insieme di nove componenti con movimento relativo.

In condizioni ideali, quando si passa dalla settima alla sesta marcia, il componente blu dovrebbe seguire la traiettoria prevista.

Se il componente blu spinge leggermente sul bordo della guida, il conducente può continuare tranquillamente il movimento verso la sesta marcia. Quanto descritto è un impuntamento "parziale".

Tuttavia, se il conducente non riesce a spostare la leva del cambio dalla settima alla sesta marcia, si parla di un vero e proprio impuntamento. Questo è lo scenario peggiore. Per completare il cambio marcia, il conducente deve compiere un leggero movimento all'indietro per evitare che il componente giallo blocchi il componente blu.

Figura 1. Impuntamento parziale e totale e traiettoria prevista.

Figura 2. Procedura di analisi completa

Il software Adams permette di analizzare il comportamento di sistemi e meccanismi, definirne degli obiettivi, ed eseguire delle analisi parametriche (Design Of Experiment) utilizzando Adams/Insight. Questo genera una matrice di dati che può essere utilizzata come input in ODYSSEE CAE Lunar. Questo software può essere utilizzato per analizzare i risultati, creare modelli previsionali e produrre nuovi risultati con variabili di progetto determinate da opportune specifiche.

Inoltre, se inclusi negli intervalli definiti dall'analisi in Adams/Insight, è possibile assegnare dei nuovi intervalli di variazione dei parametri nell'ultima fase di analisi del sistema. Una volta eseguita un'analisi di sensitività parametrica in ODYSSEE CAE, è possibile creare un nuovo DOE modificando gli intervalli di variazione dei parametri maggiormente influenti, al fine di ottenere una risposta funzionale del sistema migliore, e a più basso costo.

Figura 3. Trasmissione (a) vista completa (b) struttura interna (c) componente reale (d) superficie esterna.

Infine, questo processo può essere ripetuto per creare nuovi prototipi e analisi DOE all'interno di Adams, coprendo una gamma più ampia di variabili di progetto e costruendo nuovi DOE.

Le tolleranze dimensionali in ogni meccanismo in movimento sono definite con precisione. Le tolleranze dimensionali in ogni meccanismo in movimento sono definite con precisione. Tuttavia, anche se due componenti tra loro interagiscono perfettamente, il loro effetto combinato, in una catena cinematica con più coppie di elementi, può modificare e alterare il movimento e la funzionalità complessiva, causando spostamenti, traslazionali o angolari, maggiori o minori.

Figura 4. Risultati dell'analisi di sensitività

Variazioni di tolleranza complete: ottimizzazione dell'integrità delle catene cinematiche

Per determinare l'effetto dell'ampiezza delle tolleranze dimensionali, quando il singolo effetto si somma lungo la catena cinematica, è stato analizzato un caso specifico di funzionamento del meccanismo (secondo la procedura mostrata nella Figura 2).

La prima simulazione con Adams/View ha verificato la funzionalità con ogni componente alle dimensioni nominali.

La seconda simulazione, che comprendeva i limiti delle tolleranze dimensionali utilizzate in un'analisi DOE eseguita con Adams/Insight, è stata eseguita per identificare le risposte negli intervalli di tolleranza dimensionale di ciascuno dei componenti del meccanismo. I risultati hanno rivelato alcuni casi di malfunzionamento.

Questi dati sono stati inseriti all'interno del software ODYSSEE CAE Lunar, per analizzare la risposta con diverse combinazioni delle variabili di progetto: i risultati di sensitività, per ogni fascia di tolleranza dimensionale e variabile di progetto, sono illustrati in Fig. 4.

Utilizzando i risultati di sensitività, è stato possibile creare una nuova analisi DOE in ODYSSEE CAE. Tre fasce di tolleranza sono state ridotte del 40%, cinque sono state aumentate del 33% e quattro sono state raddoppiate.

Queste modifiche hanno comportato una riduzione dell'8% del fenomeno di impuntamento parziale rispetto al design originale.

Queste modifiche ai limiti delle tolleranze dimensionali riducono anche i costi di produzione. In questo caso, cinque fasce di tolleranza sono state aumentate del 33% e quattro sono state aumentate del 100%. Il tempo di calcolo per questa nuova analisi è stato inferiore ai due minuti, mentre il tempo di calcolo con Adams/Insight, ha richiesto circa "10 ore di tempo macchina". La prima iterazione ha fornito i risultati inseriti come dati in ODYSSEE CAE, che a sua volta li ha utilizzati per "apprendere" il comportamento del meccanismo in base a ciascuna fascia di tolleranza dimensionale.

Ciò ha permesso di prevedere la risposta del sistema con nuove tolleranze dimensionali, che sono state definite in un nuovo DOE all'interno di ODYSSEE, in base ai risultati di sensitività. Alcuni limiti delle tolleranze dimensionali sono stati aumentati, dimostrando la bassa influenza sul comportamento del sistema; altri sono stati diminuiti, dimostrando così di avere una maggior influenza.

Raggiungere una migliore funzionalità e riduzione dei costi di produzione

Il team è riuscito a trovare subito una soluzione che consentisse di eseguire rapidamente iterazioni attraverso diversi casi di studio modificando le fasce di tolleranza.

Utilizzando questa strategia di analisi è stato possibile ridurre i costi di produzione. Questo perché il team ha ampliato i limiti delle tolleranze solo se avevano un'influenza minima sulla risposta del sistema.

Il team ha ridotto solo i limiti delle tolleranze che maggiormente influenzavano la funzionalità del meccanismo. Questo ha permesso di definire un meccanismo ottimizzato in termini di funzionalità e con un costo inferiore.