Progettazione del telaio

1. INTRODUZIONE

1.1 Cenni storici

1.1.1 Evoluzione del sistema propulsivo delle vetture

- Dalla storia emerge come la prima automobile, risalente a 170 anni fa, fosse dotata di propulsione elettrica.

- La prima automobile con MCI risale al 1886, brevettata da Benz: fu una sorta di “evoluzione”, perché lo stato dell’arte dell’epoca prevedeva

l’utilizzo di motori a vapore ed era impensabile alloggiare sul sistema veicolo una soluzione del genere a causa degli ingombri eccessivi. Essa

era caratterizzata da sole tre ruote, quindi somigliava molto ad un triciclo.

- Fino al 1900 la ricerca si concentrò sul funzionamento e miglioramento del motore, per minimizzarne la dimensione e di migliorarne la

sinergia con i sistemi accessori, come il sistema di sterzo e freno. In questa fase, la struttura della vettura e la carrozzeria erano un problema

“secondario” rispetto alla propulsione. Non vi erano particolari vincoli in ottica di alleggerimento, comfort etc.

Figura 1. Evoluzione del sistema propulsivo delle vetture

1.1.2 Evoluzione del telaio delle vetture

- Il primo telaio fu costruito in legno (materiale di cui si aveva la più vasta conoscenza), considerato a tutti gli effetti materiale composito,

perché variando la direzione di sollecitazione fornisce risposte sempre differenti. Nel 1920 i telai/carrozzerie da configurazione di tipo

“aperto” diventarono “closed body”.

- Con l’avvento di nuove tecnologie di produzione (forgiatura di materiali metallici) si passò dall’impiego del legno all’impiego delle leghe

metalliche e dei materiali compositi, come fibra di carbonio e fibra di vetro. Tali parti, inizialmente, furono impiegate come carrozzeria (il

telaio era sempre in legno ma rivestito da superfici metalliche) e non come struttura.

Figura 2. Evoluzione del telaio delle vetture

• Carrozzeria (body): è un elemento a carattere prettamente estetico, con alcuna valenza strutturale e che definisce i volumi del veicolo.

• Telaio (chassis): ha esclusivamente scopi strutturali. 1

1.2 Tipologie di telaio

1.2.1 Ladder frame (telaio a longheroni)

È formato da longheroni, ovvero due travi che scorrono lungo il passo della vettura, interconnesse da traversine che scorrono lungo la

carreggiata. Tipicamente sono travi a sezione aperta (C) su cui sono alloggiati il motore, la trasmissione e il cambio attraverso sistemi di staffe.

Questa tipologia di telaio si ritrova in autoarticolati e suv.

Figura 3. Ladder frame (telaio a longheroni)

Tra le diverse tipologie di longheroni, alcune hanno variazioni di curvatura per alloggiare le molle a balestra con gli assali.

Figura 4. Tipologie di longheroni

I longheroni sono travi che possono essere definite “travi appoggiate” caricate uniformemente sull’asse da un carico uniformemente distribuito,

dato dalla somma dei pesi accessori quali motore e passeggeri; quindi, il parametro cardine per la progettazione di questo tipo di telaio è la

rigidezza flessionale dei longheroni.

Questo telaio è utilizzato anche su vetture modulari, in cui la carrozzeria è vincolata sul telaio a longheroni attraverso strutture smorzanti

(elastomeri o sistemi di natura pneumatica) che gestiscono i fenomeni vibrazionali generati dal motore a veicolo fermo o da azioni esterne

durante la marcia. Figura 5. Corpo modulare: Plymouth Prowler

Figura 6. Strutture smorzanti

1.2.2 Back bone (telaio a spina dorsale)

La struttura centrale portante, detta tunnel, è costituita da due lamiere ripiegate e saldate a mo’ di trave a sezione chiusa. Posteriormente ha

una lisca di pesce che si biforca e si ancora al serbatoio, mentre anteriormente ha una vasca in cui è alloggiato il motore e il sistema di sterzo.

Quindi la parte strutturale è data dal tunnel centrale e per una parte dalle strutture posteriori e anteriori che vengono schematizzate come due

traverse trasversali che connettono lateralmente la ruota destra e sinistra.

Figura 7. Back bone Fiat 1500 (1935) 2

Figura 8. Lotus Elan (1962)

Con questo telaio, la resistenza di tutti i carichi derivanti dalla strada viene gestita dalla parte centrale cui comportamento è simile a quello di

una trave sollecitata a torsione, quando una delle quattro ruote del veicolo perde l’appoggio a terra o sale su un dosso, quindi il parametro

cardine per la progettazione di questo tipo di telaio è la rigidezza torsionale della parte centrale del telaio.

Dal punto di vista di sicurezza, questo telaio è abbastanza carente in quanto non ci sono particolari protezioni che proteggono lateralmente i

passeggeri. Nonostante ciò, si è cercato di ottimizzare il più possibile il peso forando il tunnel centrale ma senza andare a comprometterne le

capacità tensionali.

1.2.3 Trabecular frame (telaio a traliccio)

Utilizzato nelle vetture sportive, è caratterizzato da travi a sezione circolare e da un elevato rapporto rigidezza/peso dato dal significativo

numero di travi e dal loro materiale (leghe di acciaio o leghe di alluminio). La densità dell’acciaio e dell’alluminio hanno un rapporto di 1:3, quindi

a parità di dimensione delle travi, tra un telaio in acciaio e uno prodotto in alluminio, le masse sono molto diverse, ma anche i moduli di Young

a trazione (acciaio 210 GPa, alluminio 70 GPa) per cui le prestazioni in termine di rigidezza di un acciaio sono circa 3 volte quelle di un alluminio.

Figura 9. Trabecular frame

Il costo di questo telaio è significativo per svariati motivi, come la manodopera poiché tutte le strutture devono essere connesse con saldatura.

Un ulteriore svantaggio di questo sistema è che le strutture trabeiformi compromettono l’accessibilità in vettura da parte del conducente.

1.2.4 Space frame

È un’evoluzione del telaio a traliccio ed è rappresentato da un’architettura a mo’ di gabbia protettiva per massimizzare il comfort in abitacolo e

la sicurezza a 360° dei suoi occupanti. Un sistema space frame è costituito da travi con geometrie articolate, come:

- Il montante B (quello verticale vicino alla serratura della portella) a sezione aperta in parete sottile.

- Gli assorbitori di urto anteriori (quelli estremi a sinistra) a sezione chiusa in parete sottile.

Si possono trovare quindi strutture con una geometria più o meno complessa a sezione aperta o chiusa, piene o cave, ad asse dritto o curvo

come il brancardo (parte inferiore del sottoporta che si misura dalla fine dell’arco passaruota anteriore fino all’inizio dell’arco passaruota

posteriore). Queste travi sono interconnesse da giunzioni come saldature, rivettature o nodi ovvero elementi di interconnessione.

Figura 10. Space frame

1.2.5 Unitary body structure - unibody o integral - (telaio a scocca portante)

È realizzato assemblando per saldatura o rivettatura strutture ottenute per stampaggio di lamiera. Il telaio e la carrozzeria sono una cosa sola

quindi questo telaio, a differenza del precedente, è portante perché, quando si va a rimuovere una delle pannellature, uno dei sistemi ad esso

connessi cade. Ad esempio, rimuovendo la pannellatura anteriore a banana, dove è alloggiato il motore, questo non ha più un punto di supporto.

In questo telaio tutti i componenti assolvono ad una funzione di carattere strutturale.

Figura 11. Unitary body structure (telaio a scocca portante) 3

1.2.6 Dual frame

È una variante del telaio space frame con una spiccata volontà di essere modulare perché è costituito da due sotto telai, uno superiore e uno

inferiore, collegati da sistemi smorzanti (elastomeri o sistemi di natura pneumatica). Il sotto telaio inferiore è considerato fisso mentre è possibile

considerare un diverso telaio superiore a seconda di cosa si vuole progettare. L’80% della strutturalità viene data dalla parte inferiore mentre il

restante 20% dalla modifica delle pannellature della parte superiore.

Figura 12. Dual frame

1.2.7 Monocoque (telaio monoscocca)

È realizzato con materiali compositi (rinforzati da fibre di carbonio, di vetro, aramidiche o naturali) al cui interno sono annegati anche inserti

metallici. Le fibre di rinforzo migliorano il rapporto rigidezza/peso del telaio ma ne aumentano il costo.

Figura 13. Monocoque (telaio monoscocca)

La natura anisotropa del materiale (resistenza diversa al variare della direzione di sollecitazione la fibra) richiede la caratterizzazione di 9

proprietà elastiche: 3 moduli di Young, 3 coefficienti di Poisson e 3 moduli di elasticità tangenziale. Per evitare un’interruzione della continuità

del rinforzo è necessario curare i passaggi di sezione tra una geometria e quella adiacente raccordando la struttura e riducendo al minimo le

discontinuità geometriche. I materiali compositi non permettono l’impiego di giunzioni né filettate né saldate; pertanto, la connessione tra il

telaio e i sistemi accessori avviene attraverso inserti metallici.

1.3 Tipologie di allestimenti vettura

- Chassis (telaio): il telaio ha esclusivamente scopi strutturali.

- BIW (body in white): considera la configurazione della vettura costituita dal telaio in uscita dalla fase di applicazione del primer,

tipicamente di colore bianco, che precede la fase di verniciatura vera e propria.

- TB (trimmed body): nella configurazione TB il telaio viene arricchito dei pannelli (cofano anteriore, posteriore e le porte), della traversa

anteriore e posteriore, delle strutture di alloggiamento della ruota di scorta, della regione anteriore denominata dashboard nonché

delle strutture portanti del motore e della colonna sterzo. Nell’allestimento trimmed body i componenti vengono modellati in forma

semplificata attraverso l’approccio dei parametri concentrati, per studiare la risposta dinamica del sistema, per cui necessita la

conoscenza della posizione del baricentro, i momenti di inerzia e la massa dei componenti accessori agli organi principali della macchina

ovvero il sistema di raffreddamento vettura, i serbatoi (acqua, olio o carburante), il pacco batteria se auto elettrica/ibrida, e gli

occupanti stimando una massa di 70/80 kg.

- Full vehicle: è la configurazione più completa e rappresenta l’intera vettura. È ottenuta a partire dalla configurazione TB, arricchita di

vetri, motore, trasmissione, cambio e sistema di scarico, modellati sempre attraverso i parametri concentrati

Figura 14. TB vs full vehicle 4

1.4 Nomenclatura di un telaio a scocca portante (unibody) a motore anteriore

La vettura, in questo caso a motore anteriore, può essere ripartita in tre regioni:

- Regione anteriore

- Regione centrale (abitacolo)

- Regione posteriore Figura 15. Nomenclatura di un telaio a scocca portante (unibody)

Regione anteriore

Vi è il vano motore, racchiuso dalla traversa anteriore (bumper beam), da tue travi laterali (side members) connesse trasversalmente dalla

traversa, e dal parafiamma (firewall) che divide il vano motore dall’abitacolo. La barra trasversale (upper tie bar) connette superiormente la

vettura nella direzione della carreggiata, irrigidendo quindi la risposta torsionale complessiva del telaio, contribuendo alla maneggevolezza della

vettura in curva. Tra il bumper beam e l’upper tie bar ci sono due elementi trabeiformi detti assorbitori d’urto (crash absorber) – non raffigurati

– disposti parallelamente e con asse coerente alla direzione di marcia, cui funzione è assorbire energia durante un urto frontale.

Regione centrale

Il plenum panel è il pannello che si trova tra il corpo farfallato e il collettore di aspirazione. Il pianale (floor), costituito dalla regione anteriore

(front floor), la regione posteriore (rear floor) per l’alloggiamento dei sedili posteriori, e il tunnel centrale, è ottenuto per assemblaggio di lamiere

stampate aventi spessori differenti e nervature irrigidenti.

Regione posteriore

Si evidenzia la zona strutturale del tetto (roof panel) e il parafango posteriore (quarter panel). Lo spazio ricavato per l’alloggiamento della ruota

di scorta (wheel housing) viene in genere progettato considerando anche il volume lasciato per l’alloggiamento bagagli; oggi è preferibile

eliminare la ruota di scorta e predisporre un kit di gonfiaggio per preservare lo spazio nel cofano.

Vengono considerati 4 diversi tipi di montante:

- Montante A (A-piller): è la prima trave di supporto del tetto e collocata anteriormente; si trova su tutti i veicoli.

- Montante B (B-piller): è la seconda trave di supporto del tetto, situata tra i sedili anteriori e posteriori; spesso non è presente nelle varianti

spider di un veicolo.

- Montante C (C-piller): è la terza trave di supporto del tetto, collocata spesso nella parte posteriore del telaio in corrispondenza del finestrino

del passeggero posteriore.

- Montante D (D-piller): si può trovare nei SUV o, tipicamente nelle SW, e rappresenta la trave di supporto della parte posteriore del tetto o

del quater panel.

1.5 Nomenclatura di un telaio space frame a motore posteriore

Rimangono alcuni componenti visti in precedenza, come:

- la traversa anteriore (front bumper beam)

- gli assorbitori d’urto anteriori e posteriori (crash absorbers)

- il parafiamma anteriore (front firewall) Figura 16. Nomenclatura di uno space frame 5

In aggiunta:

- il pannello parafiamma posteriore (rear firewall) a protezione degli occupanti, per la collocazione del motore posteriore

- il tunnel centrale (central tunnel)

- due travi laterali chiamate brancardi (sill) che ricordano i longheroni del ladder frame; sono tipicamente a sezione chiusa in parete

sottile e contribuiscono significativamente alla rigidezza flessionale e torsionale dell’intero telaio, valutata nell’ipotesi di piccoli

spostamenti e piccole rotazioni; contribuiscono anche all’assorbimento energetico nel caso di impatto laterale ossia durante un

fenomeno a forte carattere non lineare, in cui si lavora in campo di deformazione plastica del materiale quindi grandi spostamenti e

grandi rotazioni.

- l’ancoraggio delle cerniere della porta (door hinge), ricavate su un componente trabeiforme.

- la traversa plancia (dashboard beam), ovvero una trave ad asse dritto su cui sono ancorati il sistema di sterzo, il condizionatore e il

cruscotto.

- il curvano (cowl), ovvero una trave ad asse curvo sulla quale insiste il parabrezza anteriore.

- due strutture massive (shock tower), su cui sono ancorati gli attacchi delle sospensioni e ai quali concorrono gli assorbitori d’urto.

- una trave a forte carattere strutturale su cui è montata la scatola del cambio (gear box beam); questa configurazione richiede che il

cambio venga montato a sbalzo rispetto alla trave stessa, attraverso un collegamento assimilabile ad una connessione di tipo forcella-

spinotto. Figura 17. Gear box beam

- gli attacchi motore (engine mount) realizzati per fusione e collocati il più a ridosso possibile al piano strada per non innalzare il

baricentro della vettura. Figura 18. Engine mount

I componenti del telaio space frame concorrono in dei nodi, cui funzione è interconnettere componenti di diversa sezione con posizionamento

spaziale difforme. Ad esempio, nel nodo H concorrono l’A pillar, il curvano, la traversa dashboard e l’attacco paraurti.

1.6 Tecnologie di produzione del telaio

Vista la complessità dei componenti e la disponibilità di diverse tecnologie produttive, l’attuale progettazione dei telai automobilistici viene

realizzata con l’impiego di leghe metalliche il più leggere possibile.

- travi a sezione costante: prodotte per estrusione o, al più, per idroforgiatura (come il brancardo e l’assorbitore d’urto).

- travi a sezioni chiuse: realizzate per connessione di elementi realizzati singolarmente per piegatura di lamiere stampate, e poi connessi

mediante saldatura e rivettatura. In immagine è raffigurata la sezione del brancardo in cui il guscio superiore e inferiore sono incollati

o rivettati alle estremità. 6

Figura 19. Sezione del brancardo ottenuto per stampaggio

- nervature: utili per agevolare l’accoppiamento di elementi a contatto come porta e brancardo per gestire l’impacchettamento della

guarnizione elastomerica.

- geometrie riconducibili a pannelli più o meno nervati, a spessore sottile, ma di dimensioni rilevanti nel piano: ottenuti per

pressoformatura (come il C pillar, il parafiamma e parti del pianale).

- i nodi: richiedono necessariamente l’impiego di tecnologie di fusione (come per le shock tower e gli attacchi motore).

1.6.1 Space frame Audi A2

Considerando un telaio space frame di un Audi A2, vengono rappresentate le percentuali con i quali i deversi componenti vengono realizzati in

funzione della tecnologia di produzione.

Figura 20. Percentuali con i quali i deversi componenti vengono realizzati in funzione della tecnologia di produzione

Componenti realizzati per estrusione

Nella regione anteriore sono evidenziate le travi ottenute per estrusione: il curvano, la traversa anteriore e gli assorbitori d’urto.

Figura 21. Travi ottenute per estrusione nella regione anteriore

Nella regione centrale sono evidenziale le travi ottenute per estrusione: la traversa di rinforzo sedile, i brancardi e i rinforzi del tunnel nonché il

tunnel centrale stesso. Figura 22. Travi ottenute per estrusione nella regione centrale

Nella regione posteriore sono evidenziale le travi ottenute per estrusione: la traversa di supporto cambio, la traversa di rinforzo su cui poggiano

gli attachi motore, i puntoni posteriori e la traversa posteriore. 7

Figura 23. Travi ottenute per estrusione nella regione posteriore

Componenti realizzati per stampaggio di lamiera

Gli elementi piastra (a forte carattere 2D) sono realizzati tramite stampaggio di lamiera. Si collocano prevalentemente nell’abitacolo e

rappresentano gli elementi di connessione tra gli elementi trabeiformi che alloggiano nella zona centrale della vettura, per garantire una buona

continuità di trasferimento del carico. Figura 24. Elementi piastra ottenuti per stampaggio di lamiera

Componenti realizzati per fusione

Sono pochi ma rilevanti per ingombri e geometria: le 4 shock tower (2 anteriori e 2 posteriori) che consentono il centraggio e il montaggio con

accoppiamento calibrato del sistema sospensivo, della barra antirollio e degli assali; gli attacchi motore, dett