Studio con metodi multibody dell'influenza delle caratteristiche di sospensioni posteriori Hotchkiss sul comportamento dinamico della trasmissione di un veicolo commerciale leggero

Il seguente lavoro, svolto presso la sede IVECO di Torino, si propone lo scopo di mettere a punto un modello di calcolo delle sollecitazioni vibrazionali a cui è sottoposta la driveline di un veicolo commerciale leggero, al fine di studiare l’influenza dei parametri costruttivi delle sospensioni Hotchkiss su di essa.

Si è partiti da un modello di albero a tre tronchi precedentemente validato su dati sperimentali ed ottimizzato sui parametri di progetto. Il modello è stato realizzato utilizzando MSC Adams Car.

Nella prima fase del lavoro è stato implementato il precedente modello con il sistema di sospensione posteriore e ne è stato verificato il corretto funzionamento. In particolare, si sono forniti degli input in ingresso e si è controllato che la risposta del sistema dia risultati coerenti.

Figura 1: Modello completo

Nella seconda fase si è passati alla validazione del modello confrontandone i dati con quelli sperimentali disponibili da una prova di un veicolo su strada.

Per la verifica è stata scelta una manovra che consiste in un’accelerazione rapida in prima marcia e rilascio a marcia inserita. E’ stata scelta questa manovra perché è quella che presenta le coppie più elevate, inoltre si è in possesso di una grande quantità di dati sperimentali.

Questa fase ha richiesto una grande quantità di lavoro per adeguare tutte le caratteristiche del modello matematico in maniera da ottenere una buona corrispondenza di funzionamento con il veicolo reale.

Figura 2:Confronto tra la velocità di rotazione dell'albero di trasmissione e quella alle ruote

Figura 3: Confronto tra l’ angolo di beccheggio del modello e quello sperimentale

Nella terza fase si sono analizzate le sollecitazioni vibrazionali agenti sui due supporti dell’albero di trasmissione e si è verificata la presenza di eventuali picchi di risonanza nei segnali di forza e accelerazione trasmessa.

Le rigidezze dei supporti sono state considerate lineari e simmetriche nelle direzioni verticale e trasversale e i valori inseriti provengono dal precedente lavoro di ottimizzazione dell’albero di trasmissione dal quale si è partiti.

Purtroppo i dati sperimentali ricavati dagli accelerometri, posizionati sull’anello esterno del cuscinetto del supporto albero, hanno evidenziato un’elevata presenza di rumore dovuto alla strada: ciò li ha resi inutilizzabili per un confronto con il modello, anche dopo un filtraggio in frequenza.

Si è scelto di utilizzare i dati provenienti dagli accelerometri posti sulla traversa superiore al supporto e confrontarli a livello di andamento qualitativo con le forze agenti dal modello, in quanto rappresentano una sollecitazione trasmessa.

Figura 4: Accelerazione e forza verticale sul secondo supporto

Al fine di verificare l’influenza della sospensione posteriore e dei parametri costruttivi sulle sollecitazioni vibrazionali trasmesse sui due supporti dell’albero di trasmissione, sono state eseguite le analisi modali dei sistemi.

L’analisi modale è stata effettuata sul software MSC Adams Car mediante il tool dedicato Adams Vibration.

Prima è stata effettuata l’analisi modale del gruppo motopropulsore e l’albero motore da soli e in un secondo momento quella di tutto il modello, così da vedere se la sospensione posteriore modifichi le frequenze dei modi proprio dell’albero.

L’aggiunta della sospensione posteriore non ha portato a modifiche nelle frequenze dei modi propri del motopropulsore e nemmeno a quelle dell’albero di trasmissione in corrispondenza del primo supporto.

I modi dell’albero in corrispondenza del secondo supporto invece sono cambiati; nello specifico il moto si è scomposto secondo una componente verticale e una trasversale e le frequenze si sono abbassate. In più sono comparsi i modi propri dei componenti della sospensione posteriore.

Figura 5: Movimento verticale dei supporti, in particolare sul secondo

Nell’ultima fase si sono modificati i parametri costitutivi principali delle sospensioni, per studiarne l’influenza sul comportamento dinamico della driveline. Nello specifico sono state confrontate le frequenze associate agli stessi modi di vibrare e sono state analizzate le loro variazioni al variare dei parametri costitutivi modificati, così da individuare quali influenzano maggiormente il sistema.

I parametri modificati sono stati:

• Modulo elastico E della balestra
• Rigidezza delle boccole della balestra

In tutti e due i casi si è svolta una prova sia aumentando il valore del parametro in questione sia diminuendolo del 30%.

Dal confronto con il modello di base è emerso come la modifica dei parametri indicati ha prodotto un cambiamento delle frequenze proprie, che però non è stato tale da modificare l’andamento e i picchi di risonanza dei grafici delle forze verticale e trasversali agenti sui due supporti dell’albero, ma solamente l’ampiezza di oscillazione.

Il risultato è giudicato estremamente interessante perché ha dimostrato che l’influenza delle principali caratteristiche della sospensione posteriore sulla drive line è molto limitato e, quindi, che l’ottimizzazione ai fini NVH degli alberi di trasmissione tramite modelli multibody può essere eseguita considerando un modello molto semplificato della sospensione (per considerare solo, nelle manovre simulate, la posizione spaziale e l’orientamento del ponte), con sensibili vantaggi sia sulla definizione del modello, sia, soprattutto, sui tempi di calcolo.

Un possibile sviluppo futuro del lavoro è la modifica del modello per simulare il comportamento reale dei longheroni e delle traverse considerando le loro caratteristiche di rigidezza, così da approfondire lo studio degli elementi più influenti sulle sollecitazioni vibrazionali trasmesse, ed in particolare quelle più avvertite dal guidatore e/o dai passeggeri.

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

Laureando: Stefano De Martino

Relatori: Professor Aurelio Somà

Tutor: Ing. Vittorio Dal Col