Vehicle Conceptual Design

Introduzione corso

Un corso che si propone di dare una visione d’insieme del prodotto complesso che si vuole realizzare e far funzionare, l’automobile (nel nostro caso), mettendo insieme i tanti piccoli argomenti che la compongono; tale mentalità può essere applicata a tutti i progetti ingegneristici su cui lavoreremo.

Scopo del corso

• Sviluppare capacità di analisi e sintesi del veicolo come sistema complesso;
• Vedere come nasce l’idea del veicolo, attraverso quali scelte si sviluppa, come giunge alla
• Educare all’integrazione continua di requisiti e vincoli per la ricerca della “migliore soluzione possibile”.

L’architettura

L’impostazione della vettura è quella fase preliminare di concepimento del tipo di automobile che si vuole realizzare, prima ancora di definirne lo stile e le caratteristiche prestazionali.

In base agli Input, che arrivano da Marketing, policy aziendale ecc., si fanno le prime considerazioni di massima su come impostare la nuova vettura. Esse dipendono da fattori come la fascia di mercato in cui si vuole collocare la macchina, dimensioni dell’azienda, quantità di auto che si pensa di vendere e rispetto delle normative (sicurezza attiva e passiva, prestazioni vettura, emissioni inquinanti ed acustiche).

Conseguentemente al tipo di vettura che si vuole progettare bisogna valutare i vari costi fissi, di sviluppo ed industrializzazione ed i costi vivi o variabili, di montaggio e assemblaggio. I costi fissi vanno divisi per il numero di vetture prodotte, quindi più auto produco e più suddivido i costi che quindi incideranno meno sul costo totale e infine sul prezzo di vendita della singola vettura. Inoltre ci sono i costi di progettazione, ovvero quelli richiesti negli anni precedenti alla messa in commercio della vettura.

La redditività di un progetto nasce nel coprire tutti i costi (fissi e variabili) e generando profitto per il sostentamento dell’azienda.

Solitamente ci vogliono un anno e mezzo/due per sviluppare un modello derivato di una vettura e 5 anni per produrre un’auto da zero, di cui due di impostazione e progettazione ed i restanti 3 di sviluppo. Tuttavia si cerca di partire dal modello precedente, migliorarlo e riutilizzare quanto più componenti possibile e parti già progettate e testate per minimizzare tempi e costi.

L’elemento che prende più spazio all’interno di un’automobile è l’ambiente per gli occupanti, non i sistemi meccanici. Lo scopo di un’automobile è, infatti, quello di trasportare le persone. Per il progetto di una nuova automobile si parte quindi da requisiti di abitabilità, di ergonomia, ai quali sono associati anche delle normative (le normative che devono essere soddisfatte affinché la vettura possa essere immatricolata passano anche attraverso il fatto che le persone debbano usare l’auto con dei requisiti minimi da rispettare, cioè comodamente, indipendentemente dalla statura della persona stessa).

Di vitale interesse per la progettazione di una vettura è la statura delle persone che andranno poi ad utilizzarla, in quanto produciamo un qualcosa per venderlo agli altri. Essa è misurata in percentili, ovvero come percentuale di popolazione che sta sotto quell’altezza. Ad esempio per 5 percentile s’intende quell’altezza sotto cui si trova il 5% della popolazione, quindi con 95 percentile si intendono persone alte e con 5 persone basse. L’andamento è approssimabile con una curva gaussiana.

Tendenzialmente bisogna realizzare una vettura che accontenti tutti e ciò viene realizzato con regolazioni, e comandi interni, per cui persone di taglie diverse riescono ad usare la vettura all’incirca alla stessa maniera, tenendo conto della variabilità degli utilizzatori di vetture.

I percentili della statura sono riferiti alla popolazione occidentale e variano con il variare dell’altezza media della popolazione.

Per studiare gli ingombri delle persone nelle vetture si usano manichini, tipicamente di dimensioni corrispondenti ad un 95 percentile. Chiamiamo il nostro manichino OSCAR.

Il punto zero del manichino, intorno al quale si costruisce la vettura, si chiama punto H (Hip joint, cioè giunto del femore) e corrisponde all’articolazione tra anca e femore. Detto punto viene preso in considerazione quando si intendono impostare e soddisfare quei requisiti di ergonomia e di abitabilità; a tal proposito le norme che devono essere rispettate sono quelle di derivazione SAE (Society of Automotive Engineers). Quindi partendo dal Punto H, si definiscono i requisiti fondamentali di spazio interno dell’automobile, ad esempio di quanto si è seduti più in alto rispetto a dove poggiano i talloni, a che distanza stanno i piedi rispetto al punto H, inteso come spazio longitudinale, abitabilità verticale dal punto H fino alla parte interna del tetto, posizionamento volante rispetto al punto H, o più correttamente rispetto a dove poggiano i piedi. Siccome il punto H varia con la regolazione del sedile, tra tutti i punti H disponibili, si prende come punto di riferimento quello con il sedile arretrato al massimo ed a metà altezza.

Chiamiamo questo particolare punto H punto R (Reference point, Riferimento per omologazioni). Il punto R è un punto arbitrario posizionato secondo normativa.

Le norme SAE prevedono la definizione di numerose quote che riguardano la dimensione della vettura, le dimensioni del bagagliaio, l’inclinazione del volante, passo e carreggiata, più tutte quelle altre quote che si riferiscono all’ergonomia; dette quote sono precedute dalla lettera H (height) se riguardano l’altezza, L (lenght) per quote longitudinali e W (width) per quote riferite alla larghezza.

A seconda del tipo di vettura che si vuol fare, la postura di guida cambia ed influenzerà le relazioni tra le quote; ad esempio per una vettura con seduta più dritta (autobus..) questo porta a generare un dislivello maggiore tra il tallone e il punto H e di conseguenza un accorciamento della necessità di spazio longitudinale a parità di confort.

Più la seduta è alta e minore sarà l’ingombro longitudinale del manichino, viceversa più la seduta è sdraiata, come nelle auto sportive, e maggiore sarà l’ingombro longitudinale poiché si riduce lo spazio verticale da talloni a punto H.

Una volta definito l’altezza del punto H ed il tipo di seduta ne consegue la posizione di volante ed acceleratore, sempre rispettando i criteri di visibilità richiesti dalle normative per poter omologare il veicolo. Qualora il progetto preveda più file di sedili, si deve valutare allora lo spazio da voler lasciare per l’accomodamento dei passeggeri posteriori, tenendo conto anche dello spessore e della forma del sedile anteriore. La misura d’interesse è la distanza tra il punto H anteriore e quello posteriore. Il discorso coinvolgerà anche il posizionamento delle portiere posteriori che dovranno essere tali da garantire un ingresso/uscita quanto più comodo possibile. La distanza tra le due file, meno l’ingombro del sedile anteriore, determina lo spazio per le gambe dei passeggeri posteriori; questa quota si riflette direttamente sul passo della vettura.

Quando le posture e i requisiti di spazio interno sono stabiliti, l’altezza della vettura è una conseguenza pressoché diretta. Detta dimensione tiene conto di:

• Altezza da terra per evitare che la vettura tocchi la strada;
• Spessore del pavimento vettura;
• Altezza del punto H dal pavimento;
• Spazio da lasciare alla testa;
• Spessore del tetto.

In genere nelle vetture coupè si trascura l’abitabilità al posteriore ai fini magari di una forma del tetto più aerodinamica.

Bisogna poi definire lo spazio necessario all’ingresso/uscita delle persona dal veicolo, ovvero l’altezza del battitacco e la posizione delle cerniere della portiera. Il perimetro di riferimento è dato dalle guarnizioni della portiera che delimitano lo spazio aperto.

Anche come è conformato il pannello porta può comportare una differenza nella possibilità di passaggio. Se poi la vettura è una tre porte si valuta anche l’accessibilità per i passeggeri posteriori; è importante anche la lunghezza delle portiere nell’ingresso in vettura con altre macchine parcheggiate di fianco.

Abbiamo così definito gli spazi da lasciare alle persone (abitabilità) e quelli riservati al loro ingresso/uscita dal veicolo (accessibilità), ora andiamo ad alloggiare i principali componenti della vettura che ne definiscono le dimensioni esterne, come motore, cambio, ruote, serbatoio e bagagliaio.

Componenti come il motore, che dura anche svariate generazioni, o il cambio, fornito esternamente (in quanto risulta un componente assai complesso), non possono essere disegnati e adattati agli ingombri della vettura, ma sarà la vettura a dover avere ingombri sufficienti ad ospitarli. Altri componenti come serbatoio o lo spazio del bagagliaio possono essere personalizzati per ogni vettura e disegnati per ottimizzare gli spazi. Il posizionamento di questi componenti è ben definito in base alla tipologia di vettura che sto andando a progettare; avere motore anteriore, centrale o posteriore sono scelte di progetto che non vengono cambiate in funzione degli ingombri vettura!

La posizione delle ruote poi influisce pesantemente sulla posizione longitudinale del baricentro e quindi sulla dinamica in curva (baricentro lontano dall’asse anteriore permette di migliorare l’andamento in curva), la trazione (ripartizione dei pesi) e la frenatura del veicolo (trasferimento di carico dal posteriore all’anteriore con rischio di frenata solo da parte di due ruote). Il posizionamento delle ruote in larghezza è influenzato da relativamente pochi elementi: motore, struttura, diametro di volta, larghezza pneumatici…; in particolare lo spazio trasversale lasciato alle ruote sterzanti influisce sul raggio di curvatura massimo (raggio di volta), mentre quello delle ruote posteriore influenza l’abitabilità dei passeggeri posteriori. Solitamente larghezza anteriore e posteriore sono uguali.

Siccome serbatoio e bagagliaio permettono una certa flessibilità nella definizione dei loro spazi si impostano dopo aver posizionato le ruote e dipendono dall’autonomia che scegliamo per la vettura e da quante cose vogliamo che possa portare.

A questo punto si considerano gli spazi necessari al rispetto delle normative di sicurezza, come lo spazio di collasso della struttura, lo spazio occupanti (movimento dell’occupante fino al giungere dell’airbag) e lo spazio riservato ai “bumper” per l’assorbimento degli urti (posizionamento dei paraurti).

Infine si verifica la normativa sulla visibilità che definisce un angolo inferiore e superiore di visibilità dal parabrezza, e pertanto limita l’altezza del cofano.

Fatto ciò abbiamo definito gli ingombri minimi della vettura, a farla più grande si fa sempre in tempo.

Le dimensioni della vettura si possono fissare in maniera preliminare longitudinalmente, verticalmente e lateralmente, tenendo conto del passo (distanza asse ruota anteriore – posteriore), sbalzi e perciò lunghezza massima, altezza da terra e altezza massima, carreggiate (distanza tra ruote dello stesso assale), accessibilità, teste (larghezza tetto), larghezza vettura e apertura porte.

Lo schema mentale che dobbiamo usare è questo: fare la vettura tecnicamente più piccola e meno pesante possibile perché così facendo, minimizzerò la quantità di materiale da utilizzare e il peso che mi dovrò portare dietro, avendo bisogno di prestazioni minori per il raggiungimento dei target.

Abbiamo quindi impostato la vettura e lo stile può iniziare a creare le possibili soluzioni da utilizzare per il proseguimento del progetto.

Concetti base

Impostatore

Impostatore: prende in carico il concetto della vettura dall’architettura, lo porta nel team di sviluppo e garantisce che il veicolo continui a stare insieme fino alla produzione, e che i requisiti di base definiti in architettura vengano rispettati.

È facile infatti che a causa della numerosità delle persone che prendono parte al processo e al progetto, il veicolo prenda una deriva indesiderata dai concetti architettonici iniziali.

Automobile

Automobile: mezzo di trasporto per persone o cose, prodotto a fini commerciali e che quindi necessita di essere venduto.

Costruzione

Costruzione: implica il lavorare in termini di progetto e di processo, con la necessità di lavorare con altri membri del team per avere una conclusione sensata al netto di pareri discordanti e contrastanti, dovuti sia a requisiti contrastanti (per esempio richieste di mercato incompatibili da soddisfare con i mezzi a disposizione), sia a problematiche tecniche interne.

Si cerca di ovviare tramite una ottimale sintesi dei vari requisiti, soddisfacendo comunque tutte le problematiche necessarie che provengono da ogni settore. (Visione strategica – Integrazione – Ricerca della migliore sintesi)

Multicontributo simultaneità

Multicontributo simultaneità: processo che coinvolge i singoli individui su più progetti contemporaneamente.

Si possono impostare due tipi di approcci:

• Top-down: si stabiliscono gli obiettivi iniziali di prestazione e col passare del tempo vengono ridimensionati in base allo sviluppo del progetto.
• Bottom-up: si parte dai mezzi a disposizione cercando di migliorarli ove possibile.

Il processo Top-Down presenta delle criticità. Infatti se si considera che spesso gli obiettivi da raggiungere vengono dettati e prestabiliti dal settore marketing dopo indagini di mercato o dopo aver ascoltato i pareri dei clienti, non è detto che i tecnici (cui è affidato il compito di ricercare nuove soluzioni per il raggiungimento di tali obiettivi), riescano a raggiungere gli scopi preposti, sia per oggettive difficoltà nell’accontentare le richieste, sia per impedimenti ingegneristici e tecnologici o incompatibilità fra gli obiettivi stessi.

I due aspetti devono comunque convergere in un terzo approccio di sintesi, per constatare quanto si è lontani dagli obiettivi che si possono raggiungere, cercando di individuare e pianificare una strategia per gli aspetti che fino a quel momento, non hanno trovato soluzione.

È sempre consigliabile non fermarsi mai al primo risultato utile ottenuto, ma trovare il limite di miglioramento e sviluppo; infatti in tal modo ci si ritaglia un margine per eventuali progetti futuri da sfruttare cercando di anticipare la concorrenza. Ma non solo! Potrebbe anche succedere che a causa di eventi fortuiti che portano alla cancellazione di alcune parti del progetto e avere dei margini di sviluppo porta ad avere possibilità di crescita da utilizzare in fasi successive, riducendo i tempi di consegna e non creando ulteriori carichi di lavoro che in una determinata fase del processo, potrebbero accumularsi.

Si arriva infine attraverso la fase di integrazione di requisiti e vincoli alla ricerca e definizione della miglior soluzione possibile, tenendosi comunque aperta la possibilità di migliorare alcuni aspetti, magari anche a scapito di altri più sacrificabili.

Punti chiave del progetto

Nelle diverse fasi del progetto ci si concentra su cinque punti chiave:

1. Stile

Non ha senso ad esempio produrre una macchina che costi pochissimo ma che al tempo stesso non rispetti certi canoni basilari di estetica poiché lo stile è un fattore di vendita, quindi la macchina non troverebbe alcun successo dal punto di vista commerciale. Del resto è anche vero che sarebbe forse ancor più errato costruire una macchina totalmente incentrata sullo stile ma non funzionale.

Ciò che si deve fare allora è cercare di far interagire lo stile e la tecnica in maniera tale da creare una reciproca comprensione e una collaborazione che porti ad un risultato complessivo ugualmente esaltante per entrambe le parti (si potrebbe pensare di collocare le parti utili al funzionamento e alle prestazioni in zone che non intacchino l’estetica e lo stile, ove chiaramente possibile).

2. Prestazioni

Le prestazioni devono sempre essere migliorate di prodotto in prodotto. “La prossima è sempre la migliore”.

3. Tecnologie e costi

Le tecnologie e costi sono la base per definire la fattibilità di un processo ed è ciò che permette di valutare la convenienza della produzione di un determinato prodotto; qualora la linea di produzione necessiti di aggiornamenti o il progetto preveda componenti particolarmente costosi (da produrre o da acquistare da fornitori) si cerca di tirarne le somme con quelli che sarebbero i guadagni derivati dalla vendita dell’auto e stabilire se essi hanno i margini desiderati.

4. Pesi

Il peso è un aspetto cruciale perché domina tutte le prestazioni, una su tutte i consumi. Anche i costi ne sono influenzati perché è probabile che una vettura più leggera (meno materiale) costi anche di meno.

5. Tempi

I tempi sono dettati dai limiti di termine progetto e uscita sul mercato del prodotto dettati ancora una volta dal marketing, che riesce a prevedere la perdita di competitività del prodotto attuale con quelli della concorrenza ed evitare buchi di mercato dovuti ad eventuali ritardi nell’uscita.

Un altro aspetto non citato fra i precedenti ma non certo meno importante è quello della sicurezza. È fondamentale convincere la clientela che l’auto sia sicura e chiaramente garantire allo stesso tempo tutti i requisiti di sicurezza previsti dalle normative e ove possibile cercare miglioramenti in tal senso. È anche vero che esiste una forte correlazione fra peso e sicurezza che si influenzano vicendevolmente.

Il processo

Il processo progettuale può essere suddiviso in più fasi:

• Concettuale
• Preliminare: estende il concetto a qualcosa di più concreto e dettagliato
• Dettaglio esecutivo: si interviene sulla rifinitura e ottimizzazione finale dei pezzi sottoposti a vari team
• Produzione: fase di fabbricaz