FACOLTA’ DI INGEGNERIA MECCANICA
Disegno di Macchine 2
CAD 3-d nella progettazione
meccanica: elaborazione di
sospensioni per off-road estremo.
14/06/2010
Ing. Ennio Salvati
CAD 3-d nella progettazione meccanica: elaborazione di sospensioni per off-road estremo
SOMMARIO
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.
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Generalità
Semplicità d’utilizzo: interfaccia “userfriendly”.
 Elevate precisione e personalizzazione del
modello
 Compatibilità elevata con altri software
 Resa grafica elevata, ottenibile solo con
hardware adeguato.

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Struttura file
Contiene tutte le lavorazioni
PARTE
per ottenere il pezzo finito.
ASSIEME Contiene tutti gli
accoppiamenti tra le varie parti.
Costituisce l’assemblaggio finale
Complessivo
in cui si posizionano gli assiemi.
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Principali utilizzi ingegneristici
Progettazione ex-novo
Ottimizzazione
 Si parte dalle “specifiche
Si parte dalla comprensione
del sistema reale.
tecniche obiettivo”.
Si procede organizzando
e ottimizzando ogni fase.
Si valutano i risultati
secondo la coincidenza con
gli obiettivi.
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Si individuano i fattori
influenti sulle “grandezze
obiettivo”.
 Si scelgono soluzioni di
compromesso.
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Pro e contro dei due approcci
Progettazione ex-novo
PRO
Ottimizzazione
PRO
 Maggior libertà progettuale.
 Obiettivi facilmente individuabili.
 Soluzione ottima.
 Tempi solitamente più brevi.
Progettazione ex-novo
CONTRO
• Molte variabili da considerare.
• Studio di fattibilità complesso.
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Ottimizzazione
CONTRO
• Compromessi da rispettare.
• Minor innovazione.
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Vantaggi della progettazione CAD
 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.
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Ipotesi semplificative più comuni
Modellazione e semplificazione delle sole parti necessarie.
Corpi
rigidi.
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Metodologia di modellazione
Verifica dimensionale
PARTE (quote “digitali” vs
quote reali)
ASSIEME Verifica posizione
relativa tra parti
NO
SI
NO
SI
Complessivo Verifica ingombri
complessivi e
posizionamento assoluto
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Modellazione singole Parti
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.
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Criticità delle singole Parti
 Misurazioni “funzionali”
per gli scopi.
 Non riprodurre
particolari
ininfluenti sugli
obbiettivi.
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Composizione dell’ Assieme
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.
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Criticità dell’ Assieme
 Errori causati delle
singole parti oppure dagli
accoppiamenti stabiliti.
 “Sovradefinizione”
dell’assieme, reso
iperstatico.
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Unione di assiemi: “Complessivo”
1) Comprensione preliminare del meccanismo
completo: parti fondamentali e funzionamento.
2) Unione degli
complessivo.
assiemi
secondo
il
layout
3) Verifica finale della conformità dimensionale,
spaziale e cinematica nel riferimento assoluto.
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Criticità del “Complessivo”
 Elementi “fissi”: non
dimenticare il telaio.
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 “Vincoli di
posizionamento”:
influenti sulle
simulazioni.
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Iter di realizzazione modello JK

Studio preliminare teorico dello schema sospensivo.

Campagna di misure sperimentali.

Realizzazione parti ed assiemi.

Verifica della congruenza con la realtà.

Utilizzo del modello per l’ analisi delle performance.
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Studio teorico dello schema sospensivo
È importante per:
•
Conoscere la natura del problema.
•
Impostare misurazioni con logica
CAD-CAM.
•
Ipotizzare successive soluzioni realizzative.
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“Ponte rigido a 5 punti di ancoraggio”
Drag link
Panhard bar
Tie rod
Sway bar
Upper arms e
lower arms
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Rilevazione sperimentale
Logica CAD - CAM
Le misurazioni delle grandezze di interesse vengono
effettuate in funzione della successiva riproduzione
CAD 3D
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Rilevazione sperimentale
Modalità
• Sessioni consecutive parallelamente alla
realizzazione.
•
Misure essenziali ma “funzionali”.
•
Maggiore attenzione a particolari di
ingombro esterni.
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Rilevazione sperimentale
•
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”.
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Metodologia di modellazione
Verifica dimensionale
Singoli pezzi
(quote “digitali” vs
arms; bars; links… quote reali)
Sistemi sospensivi
Verifica posizione
front susp.; rear susp.; chassis
relativa tra parti
NO
SI
NO
SI
Complessivo Verifica ingombri
complessivi e
front + chassis + rear
posizionamento assoluto
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Metodologia di modellazione
Distanze relative
attacchi lower – attacchi upper
Distanza dal suolo
(asse ponte – suolo;
attacco lower – suolo)
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Realizzazione parti
Semplificazione geometrie
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Realizzazione parti
Revisione
Barra anti-rollio
vincoli
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Realizzazione parti
Revisione vincoli: ripristino rigidezza dei sistemi.
La sostituzione di cilindriche con sferiche incrementa
il numero di g.d.l. del sistema. L’imposizione di vincoli
di perpendicolarità tra superfici e/o piani ripristina la
rigidezza della sospensione.
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Realizzazione parti
Modellazione di elementi a geometria complessa:
“immagine dello schizzo”
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Realizzazione parti
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Elementi di ancoraggio
longitudinale e trasversale
Ponte
Organi di sterzo
Barra anti-rollio
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Realizzazione assiemi
Ipotesi di base:
Telaio “virtuale” (non modellato)
Assemblaggio parti realizzato dopo la misurazione di:
• “punti guida” (distanze relative tra le parti e degli attacchi al
telaio rispetto al suolo);
h
• “distanze equivalenti” (distanza verticale telaio-ponte lungo
l’asse della molla per simularne l’ estensione a riposo);
h
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Realizzazione assiemi
Il 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.
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Realizzazione assiemi
Verifica fedeltà modello
Verifica coincidenza posizioni assolute e relative delle parti
modellate tramite il confronto con gli elementi reali.
In caso di errori
(es. impossibilità
accoppiamenti causa
lunghezze arms
incongruenti con
distanze att. ponte –
att. telaio, ecc.)
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OTTIMIZZAZIONE
Modifica componenti in
funzione della
cinematica del sistema
(es. distanze ancoraggi
telaio - ponte più
importanti di lunghezza
assoluta arms)
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Realizzazione assiemi
Verifica fedeltà modello: angoli caratteristici
(www.Project-JK.com)
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Realizzazione “complessivo”
Assemblaggio assiemi
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Realizzazione complessivo
Potenzialità di “rendering”
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Validazione del “complessivo”
SolidWorks
ADAMS
file “parasolid”
Solo informazioni su
geometrie
•
•
parametricità
semplici modellazioni
geometriche
•
•
potenzialità CAD
limitate
elevata precisione di
analisi
Necessità di verifiche cinematiche preliminari
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Analisi modello: definizione angoli
caratteristici della sospensione
• Assetto del veicolo:
Angolo Camber
Angolo Caster
Angolo Kingpin
Angolo Toe
• Grandezze off-road:
Angolo di attacco, di uscita e di rampa
Angolo di twist
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Analisi modello: rilevazione angoli
caratteristici nell’ off-road
Angolo di attacco, di uscita e di rampa
Angolo di uscita
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Angolo di rampa
Angolo di attacco
Originale
Modificato

Angolo attacco
38°
46°
21%
Angolo uscita
31°
43°
39%
Angolo rampa
10°
15°
50%
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Analisi modello: rilevazione angoli
caratteristici nell’ off-road
Angolo di twist
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Originale
Modificato

Sospensione
anteriore
5.3°
8.7°
64%
Sospensione
posteriore
5.2°
10.9°
109%
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Analisi modello: Camber
Variazione rispetto alla “condizione neutra (-0,8°)”
 layout originale
 layout modificato
• Rebound (giù): la
massima impronta a
terra (Δcam.=+0,8°) si
raggiunge prima con il
sistema modificato.
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• Bump (su): maggiore
motricità in per aumento
impronta battistrada
 layout originale
 layout modificato
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39 C
Analisi modello: Toe
Variazione rispetto alla “condizione neutra (in 0,5°)”
 layout originale
 layout modificato
• Bump (su): evidente
differenza di variazione
tra i due assetti.
• Variazioni di convergenza
non influiscono molto a
basse velocità: non è un
problema in off-road.
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 layout originale
 layout modificato
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40 C
Analisi modello: Caster
Variazione rispetto alla “condizione neutra (+4,2°)”
• Bump (su):
 layout originale
 layout modificato
• Migliore direzionalità in curve
lente
• Minore coppia autoallineante,
quindi maggior agilità in cambi
di direzione
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aumento minore
nel layout
modificato rispetto
al layout originale
 layout originale
 layout modificato
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41 C
Analisi modello: Kingpin
Variazione rispetto alla “condizione neutra (+12°)”
 layout originale
 layout modificato
• Bump (su):
Variazioni non
eccessive:
mantenimento dell’
equilibrio globale.
• Rebound (giù):
Accentuate variazioni in
rebound non influiscono
su handling.
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 layout originale
 layout modificato
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42 C
Conclusioni Applicazione JK
 Realizzazione di uno strumento per lo studio del
comportamento cinematico della sospensione.
 Analisi atte alla previsione e all’ ottimizzazione
delle prestazioni del veicolo.
 Verificato il miglioramento complessivo nell’
assetto del veicolo e nell’utilizzo off-road.
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