Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica
PROGETTAZIONE DI TELAI AUTOMOBILISTICI
“SPACE FRAME” IN LEGA LEGGERA
CON PARTICOLARE RIGUARDO A SOLUZIONI DI TIPO MODULARE
Tesista: Marco Traverso
Relatore: Prof. Ing. Umberto Pighini
Correlatore: Ing. Mario Fargnoli
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
A.A. 2000/2001
Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001
Telaio “Space Frame” - Definizione e caratteristiche
- Struttura reticolare
- Separazione funzionale telaio - carrozzeria
- Ampia gamma di materiali e tecnologie
Soluzione di crescente interesse
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Struttura della Tesi
Documentazione
Applicazione: City Car
Tipologie costruttive
Chiarimento
del compito
Materiali
Concezione del
Sistema Meccanico
Tecnologie
Progetto preliminare
Layout del veicolo
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Documentazione - Tipologie costruttive
Tipologie costruttive
Evoluzione storica
Vetture di serie
Concept Cars
Ricerche e Sviluppi
Tesista: Marco Traverso
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Tipologie costruttive - Evoluzione storica
Cisitalia (1945)
1900
1910
1920
Lancia Lambda (1922)
Tesista: Marco Traverso
Jaguar E type (1961)
1930
1940
Ford Chassis (’50)
1950
Fiat VSS (1978)
1960
1970
Renault R16 (1965)
Honda NSX (1991)
1980
1990
2000
Mercedes 190 (1984)
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Tipologie costruttive - Stato della tecnica
Tipologie costruttive
Soluzione per il 95% delle vetture di
attuale produzione:
Scocca portante in lamiera di
acciaio stampata e saldata
5%
Sc o c c a in
a c c ia io
Altro
95%
Tesista: Marco Traverso
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Documentazione: Materiali e Tecnologie
Riferimento: Scocca stampata in acciaio
Materiali
Confronto con l’acciaio
Leghe di alluminio
• Leggerezza
• Possibilità di
estrusione e pressofusione
Tesista: Marco Traverso
Tecnologie
Tecnologie di
lavorazione
Tecnologie di
giunzione
• Confronto con
Stampaggio e Saldatura a Punti
• Applicazione alle
leghe di alluminio
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Space Frame
Scocca in acciaio
Vantaggi:
Vantaggi:
• Buone prestazioni generali
• Peso contenuto
• Costi ridotti per elevati volumi
produttivi
• Costi ridotti per volumi produttivi
medio-bassi
Svantaggi:
Svantaggi:
• Peso elevato
• Tecniche specifiche di lavorazione e
assemblaggio
• Costi molto elevati per volumi
produttivi medio-bassi
Tesista: Marco Traverso
• Alti costi per volumi produttivi elevati
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Confronto Space Frame - Scocca in acciaio
Costi di produzione
fonte: Materials System Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, 1998.
Tesista: Marco Traverso
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Applicazione: City Car multifunzionale
Progettazione di massima
di un telaio Space Frame
Chiarimento
del compito
Concezione del
Sistema Meccanico
Progetto preliminare
Layout del veicolo
Tesista: Marco Traverso
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Chiarimento del Compito
Chiarimento del Compito
Raccolta dati
Studio di fattibilità
Lista dei Requisiti
Tesista: Marco Traverso
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Chiarimento del Compito - Studio di fattibilità
Studio di fattibilità
Fattibilità tecnica
Fattibilità economica
Tesista: Marco Traverso
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Studio di fattibilità
Layout generale del veicolo
Tesista: Marco Traverso
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Studio di fattibilità
Caratteristiche meccaniche principali
PROPULSIONE
MCI (Diesel o benzina)
Ibrida
POSIZIONE MOTORE
Anteriore trasversale
TRAZIONE
Anteriore
POTENZA MAX
11-40 kW
CAPACITÀ SERBATOIO
20 litri
CARBURANTE
TRASMISSIONE
Tesista: Marco Traverso
Automatica
(frizione centrifuga o CVT)
FRENI ANTERIORI
Disco
FRENI POSTERIORI
Disco o tamburo
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Chiarimento del Compito - Lista dei Requisiti
CARATTERISTICHE DEL SM
RICHIESTO DESIDERATO
FUNZIONE
Trasporto di persone e merci

CONDIZIONI DI IMPIEGO
Impiego urbano

Impiego extraurbano

Impiego con condizioni metereologiche
sfavorevoli

CORPO VETTURA

2 posti

4 posti
Capacità di carico minima 150 l
Tesista: Marco Traverso

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CARATTERISTICHE DEL SM
RICHIESTO
DESIDERATO
DIMENSIONI E PESO

Lunghezza max
3000 mm
Lunghezza max
2600 mm
Larghezza max
1350-1500 mm

Altezza max
1450-1750 mm

Peso max a vuoto senza batterie 350400 kg
Peso max a pieno carico 550 kg



SPECIFICHE TECNICHE GENERALI DEL VEICOLO

Propulsione mediante MCI

Propulsione ibrida
PRESTAZIONI
Stabilità e tenuta di strada elevate
Tesista: Marco Traverso

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CARATTERISTICHE DEL SM
RICHIESTO
DESIDERATO
SICUREZZA
Elevata sicurezza attiva e passiva

Rispetto norme vigenti

Sicurezza superiore a quella indicata

dalle norme vigenti
COMFORT DI MARCIA
Isolamento
acustico
dell’abitacolo
e
vibrazionale

Abitabilità adeguata

Facile accessibilità

Visibilità

AFFIDABILITÀ
Elevata
Tesista: Marco Traverso

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MANUTENZIONE

Accessibilità per la manutenzione
Semplicità di riparazioni e/o sostituzioni
strutturali

Resistenza ad impatti a bassa velocità

Resistenza ad ammaccature e graffi

…
...
Tesista: Marco Traverso
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Concezione del Sistema Meccanico (SM)
Concezione del SM
Studio della Funzione
Principio Tecnologico
Attuatori delle
Funzioni Parziali
Processo
Tecnico
Tabella
Morfologica
Schemi di Principio
Funzioni ->
Soluzioni
costruttive
Struttura
della
funzione
Valutazione
Tesista: Marco Traverso
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Concezione del SM - Schemi di Principio
Schema di principio n.1
Schema di principio n.2
Struttura stampata con
pianale ad elementi estrusi
Tesista: Marco Traverso
Space Frame
composto da profilati estrusi
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Concezione del SM - Schemi di Principio
Valutazione qualitativa
Schema di principio ottimale = SP 2
Tesista: Marco Traverso
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Progetto Preliminare
Caratteristiche della struttura
Componenti
Profilati estrusi rettilinei con sezioni scatolate
rettangolari, monocella e multicella
Materiali
Profilati estrusi:
lega AA 6061-T6
Limite elastico: σy = 265 N/mm2
Parti stampate:
lega AA 6015-T4
Tesista: Marco Traverso
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Progetto Preliminare
Ipotesi di Calcolo
Profilati estrusi schematizzati mediante:
• Nodi estremi I e J
• Sezione trasversale
• Nodo K per orientamento sezione
• Materiale isotropo, omogeneo, con comportamento elastico lineare
• Massa trascurabile nella determinazioni delle sollecitazioni
• Profilati connessi tra loro mediante nodi infinitamente rigidi
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Metodo di Calcolo
Spostamenti:
Sollecitazioni:
Ogni nodo: 6 gradi di libertà
Ogni nodo: 6 componenti
Componente n-esimo:
Equazione costitutiva del tipo {f}n = [k]n {u}n
Tesista: Marco Traverso
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Progetto Preliminare
Metodo di Calcolo
Risoluzione del problema:
Sistema del tipo {F} = [K] {U}
[K] = matrice sparsa
Programmi utilizzati: Ansys 5.7 e SAP 2000 Plus
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Struttura di base
Profilati: unica sezione 50x50x3 mm
Verifica statica del pianale
Tesista: Marco Traverso
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Progetto Preliminare
Misurazione della rigidezza torsionale
Rt = Mt / αx
• Mt = Momento torcente applicato
• αx = Rotazione intorno all’asse X (asse di rollio)
αx: 2 nodi di riferimento
1. Attacco sospensioni ant.
2. Mezzeria traversa ant.
Tesista: Marco Traverso
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Progetto Preliminare
Struttura di base e struttura modificata
Analisi di sensibilità
Rinforzi nella zona dei passaruota anteriori e posteriori
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Condizioni di carico e di vincolo
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Analisi di sensibilità
•Raddoppio di spessore per singoli componenti e gruppi di
componenti.
• Profilati aggiuntivi e varie configurazioni per il pianale
Output = Incremento percentuale di peso e rigidezza torsionale
Varie configurazioni per il pianale
Tesista: Marco Traverso
Elementi della cella abitacolo
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Ottimizzazione
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Struttura ottimizzata
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Struttura ottimizzata
RT SOSP.
(Nm/rad)
VALORE
VALORE
INCREMENTO
INIZIALE
FINALE
(%)
184000
468000
155%
153000
491000
220%
45
74
64%
RT
ABITACOLO
(Nm/rad)
PESO (KG)
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Progetto Preliminare
Verifica ai carichi dinamici della struttura ottimizzata
Carichi dinamici: schematizzati mediante il prodotto tra i carichi
statici e dei coefficienti moltiplicativi (J.Pawlowski)
Combinazioni di carichi:
•Flessione
•Torsione
Flessione:
σmax = 26 N/mm2
(attacco puntoni ant. - traversa pianale)
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo
Abitabilità: 2-4 passeggeri:
Aumento del passo da 1800 a 2150 mm
2 versioni di base: a passo corto e a passo lungo
Passo lungo: Perdita di rigidezza
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo - Abitabilità
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo - Versioni a passo lungo
Rinforzi:
• Montanti C inf. E sup.
• SRR posteriori
• Traversa tetto post.
Versione Cab
Rinforzi:
• Traverse di collegamento tra
montanti B
Versione Pick-up
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo - Versione Cab a passo lungo
1. Struttura base a passo corto
2. Struttura base a passo lungo
3. Montanti C, SRR post.
4. Montanti C, SRR post. e traversa post. tetto
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Layout del veicolo - Versione Pick-up a passo lungo
1. Struttura base a passo corto
4. Traversa sup. mont. B
2. Struttura base a passo lungo 5. Doppia traversa
3. Traversa inf. montanti B
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001
Layout del veicolo - Versioni a passo corto
Rinforzi:
• Montanti C inf. E sup.
• SRR posteriori
• Traversa tetto post.
Versione Cab
Rinforzi:
• Traverse di collegamento tra
montanti B
Versione Pick-up
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001
Layout del veicolo - Versione Cab a passo corto
1. Struttura di base
2. Montanti C e SRR
3. Montanti C, SRR e traversa post.
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
Università degli Studi di Roma “La Sapienza” - A.A. 2000-2001
Layout del veicolo - Versione Pick-up a passo corto
1. Struttura di base
4. Doppia traversa
2. Traversa inferiore
5. Elementi laterali
3. Traversa superiore
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
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Conclusioni
Caso Applicativo
• Space Frame idoneo dal punto di vista strutturale
(resistenza e rigidezza)
• Possibilità di ottenere differenti versioni con
minimi interventi sul telaio
Space Frame:
• Soluzione competitiva per modelli di nicchia
• Necessità di nuovi approcci progettuali e produttivi
• Possibilità produttive per piccole e/o nuove aziende
Tesista: Marco Traverso
Facoltà di Ingegneria - Dipartimento di Meccanica e Aeronautica