Costruzione di autoveicoli

APPUNTI DEL CORSO

DI COSTRUZIONE DI

AUTOVEICOLI

Andrea Sassoli 1

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Sommario

INTRODUZIONE ........................................................................................................................................ 6

RUOTE E PNEUMATICI .............................................................................................................................. 7

Il cerchione ........................................................................................................................................... 8

Lo pneumatico .................................................................................................................................... 13

Richiami sul contatto ruota-strada .................................................................................................... 29

Il mozzo ruota ..................................................................................................................................... 50

Angoli caratteristici ............................................................................................................................ 57

TRASMISSIONE: INNESTO A FRIZIONE ................................................................................................... 73

Posizione del motore e ruote di trazione .......................................................................................... 74

Il volano .............................................................................................................................................. 74

La frizione ........................................................................................................................................... 76

Altri tipi di frizione ............................................................................................................................. 87

Analisi del transitorio di innesto nel caso di frizione monodisco a secco ........................................ 88

Materiali dei dischi di attrito ............................................................................................................. 94

L’innesto a frizione: il comando ......................................................................................................... 96

L’innesto a frizione: il progetto ........................................................................................................ 101

TRASMISSIONE: CAMBIO DI VELOCITA’ ............................................................................................... 101

Cambi manuali: introduzione ........................................................................................................... 102

Cambi manuali: classificazione ........................................................................................................ 103

Esercizio: lavoro richiesto al sincronizzatore durante una cambiata di marcia ............................. 111

Il sincronizzatore a cono d’attrito .................................................................................................... 113

Coppia di sincronizzazione ............................................................................................................... 117

Inerzie equivalenti ............................................................................................................................ 119

Il comando del cambio manuale ...................................................................................................... 127

Cambi automatici: introduzione e classificazione ........................................................................... 128

Cambio robotizzato .......................................................................................................................... 128

Cambio robotizzato a doppia frizione ............................................................................................. 129

Cambio automatico con convertitore di coppia .............................................................................. 136

Cambio a variazione continua o CVT ............................................................................................... 139

LA TRASMISSIONE DEL MOTO ALLE RUOTE: IL DIFFERENZIALE .......................................................... 143

Differenziali bloccabili ...................................................................................................................... 149

I semiassi ........................................................................................................................................... 169

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IMPIANTO FRENANTE .......................................................................................................................... 176

Richiami sulla dinamica della frenatura ideale: parabola di frenata e ripartitore ........................ 176

EBD: Electronic Brake-force distribution ......................................................................................... 183

L’impianto frenante dei veicoli ........................................................................................................ 185

Sistemi attivi di frenata .................................................................................................................... 225

SISTEMA STERZANTE ............................................................................................................................ 243

Il cinematismo dello sterzo .............................................................................................................. 244

Guida a cremagliera (rack and pinion) ............................................................................................ 250

Guida rotoidale (screw and sector) .................................................................................................. 256

Sistemi di asservimento ................................................................................................................... 259

Piantone dello sterzo ....................................................................................................................... 267

Impostazione del cinematismo di sterzo ......................................................................................... 269

4WS ................................................................................................................................................... 271

Controllo attivo dello sterzo ............................................................................................................ 272

PROGETTO STRUTTURALE DEL MOTORE ............................................................................................. 282

Cinematica del manovellismo di spinta ........................................................................................... 282

Dinamica del manovellismo ............................................................................................................. 285

Equilibratura ..................................................................................................................................... 292

Albero motore .................................................................................................................................. 299

Verifica dell’albero motore .............................................................................................................. 300

La biella ............................................................................................................................................. 306

Il pistone ........................................................................................................................................... 320

Lo spinotto ........................................................................................................................................ 326

La distribuzione ................................................................................................................................ 328

Il basamento ..................................................................................................................................... 341

Il raffreddamento del motore .......................................................................................................... 343

La lubrificazione del motore ............................................................................................................ 345

SISTEMA SOSPENSIVO .......................................................................................................................... 347

Componenti della sospensione e richiami di dinamica del veicolo ................................................ 349

Sospensioni indipendenti ................................................................................................................. 356

Sospensioni semidipendenti ............................................................................................................ 402

Sospensioni ad assale rigido ............................................................................................................ 406

LA CARROZZERIA E LA SCOCCA ............................................................................................................ 410

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Il peso delle vetture.......................................................................................................................... 410

Il peso delle vetture: materiali ......................................................................................................... 412

La scocca portante in acciaio ........................................................................................................... 414

La scocca in acciaio: materiali .......................................................................................................... 422

La scocca in acciaio: vantaggi e svantaggi ....................................................................................... 423

La scocca in alluminio ....................................................................................................................... 424

Telaio tubolare in acciaio ................................................................................................................. 425

Telaio a longheroni ........................................................................................................................... 426

Scocca in fibra di carbonio ............................................................................................................... 427

Prospettive future e architetture attuali ......................................................................................... 428

Comportamento strutturale ............................................................................................................ 434

Comportamento a crash .................................................................................................................. 434

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INTRODUZIONE

Per autoveicolo si intende un mezzo di locomozione (terrestre) appoggiato su quattro ruote che

si muove in modo autonomo senza essere vincolato a seguire una data traiettoria.

Nei decenni che hanno seguito la comparsa dei primi prototipi, l’automobile si è fortemente

evoluta, vedendo cambiare e modificare la propria struttura dall’aggiunta di meccanismi di

perfezionamento delle sue parti essenziali ed anche di tanta elettronica. Progresso a parte,

un’automobile è fondamentalmente costruita sempre allo stesso modo: qualunque autovettura

si prenda in esame infatti è formata essenzialmente da:

➢ Un telaio che sorregge l’insieme della meccanica e della carrozzeria;

➢ Un pianale, che ormai è tutt’uno con la parte bassa del telaio e che sorregge il motore e

parte delle sospensioni, oltre ai sedili;

➢ Una carrozzeria, che riveste e chiude la vettura e nella quale sono integrate superfici

vetrate per garantire la visibilità agli occupanti;

➢ Un motore che garantisce la trazione;

➢ Un cambio di velocità, per adattare il motore alle condizioni di lavoro e per consentire il

movimento in retromarcia;

➢ Una frizione, che serve a isolare il motore dal cambio nei cambi di marcia;

➢ Un apparato di trasmissione;

➢ Un sistema di sospensioni;

➢ Un sistema frenante;

➢ Un sistema sterzante;

➢ Le ruote;

Nel tempo, ognuna di queste parti è stata modificata per migliorarla e completata da altri

dispositivi o apparati mirati ad ottimizzarne il funzionamento (si pensi, ad esempio all’ABS o

all’introduzione del servosterzo). 6

Nel corso utilizzeremo il seguente sistema di riferimento (suggerito dalle norme) destrorso, con

l’asse x giacente nel piano di simmetria longitudinale del veicolo e diretto verso la direzione di

marcia, l’asse z giacente sul piano di simmetria e diretto lungo la verticale e l’asse y

perpendicolare agli altri due.

I movimenti prodotti in direzione z dal sistema sospensivo vengono detti moti di pompaggio.

RUOTE E PNEUMATICI

Le ruote sono gli elementi che consentono materialmente agli autoveicoli di muoversi e circolare;

per quanto riguarda i veicoli a motore, la ruota è composta da due parti: il cerchione e lo

pneumatico che collabora con le sospensioni nell’assorbire parte delle asperità del fondo stradale

e nel contempo permette di avere l’attrito necessario per la trasmissione di forze

frenanti/traenti.

Una sezione di ruota pneumatica, con i principali parametri di interesse, è qui riportata:

In figura sono ben evidenti il cerchione in lamiera stampata (costituito da due parti saldate) e lo

pneumatico. 7

Il cerchione

Il cerchione è la parte base della ruota ed è a forma di cerchio; su di esso si monta la gomma ed

è la sua sezione assiale ha tipicamente forma di “H” per ospitare la gomma e impedire che sfugga

lateralmente (questa funzione è svolta dalla balconata indicata con “B” in figura precedente). Il

cerchione è l’insieme di due parti: il cerchio vero e proprio ed una struttura al suo interno che

permette di raccordarlo al mozzo della ruota.

Quando si progetta il cerchione si deve far attenzione ad alcune cose:

• È un oggetto di standardizzazione.

• Rientra nelle masse non sospese: una riduzione della massa del cerchione è

particolarmente rilevante in quanto questo “subisce” forti accelerazioni dovute al

contatto con la strada (è, a meno dello pneumatico, praticamente in contatto diretto con

il piano stradale). Poiché il prodotto tra la massa e l’accelerazione costituisce una forza,

la massa deve essere limitata al fine di ridurre le forze a cui il cerchione è soggetto durate

il suo impiego.

• Diametro sufficientemente grande per mantenere una certa stabilità del veicolo e per

ridurre le sollecitazioni in cassa: più grande è la ruota e minori sono le accelerazioni che

vengono prodotte dal superamento di una certa irregolarità. Compatibilmente con gli

ingombri della vettura si tenderà ad avere cerchi con diametro maggiore.

• L’impianto frenante è molto vicino alla ruota e quindi il cerchio che è in sua prossimità

deve avere una buona capacità di dissipazione del calore. Per questo motivo la geometria

classica dei cerchi (qualsiasi sia il metodo di produzione impiegato) è caratterizzata da

ampie aperture per permettere la dissipazione del calore.

• Visto che è in rotazione deve essere ben bilanciato.

Il cerchione viene solitamente realizzato in:

• Lamiera stampata. La lamiera viene stampata a caldo e rullata per ottenere la forma del

canale il quale viene unito al disco con saldatura a punti. Il disco è caratterizzato da

aperture circonferenziali per lo smaltimento del calore generato dal sistema frenante.

Sono zincati per questioni ossidative.

• Lega leggera fusa, estrusa o forgiata. I cerchi per le vetture vengono in genere fusi

(pressofusione oppure fusione per gravità) od estrusi, quelle per i veicoli pesanti o

maggiormente prestazionali vengono in genere forgiati. In genere vengono utilizzate

leghe di alluminio o di magnesio. Il magnesio permette una riduzione di peso del 30%

rispetto all’alluminio e del 50% rispetto all’acciaio. Il magnesio garantisce una migliore

resistenza a fatica ed una eccellente resilienza, ma è molto sensibile alla corrosione.

L’alluminio ha un costo della materia prima e dei processi di costruzione (fusione e

forgiatura) più basso del magnesio. 8

Dal punto di vista della resistenza meccanica, il cerchione in lega è più delicato di quello in lamiera

e si deforma più facilmente, tanto da divenire inservibile in caso si prenda una grossa buca in

velocità o si urti un marciapiede.

Principali parametri del cerchione

Il cerchione viene definito in base principalmente ai seguenti parametri, cerchiati in figura:

• Diametro del canale (o di calettamento o del cerchione);

• Larghezza del canale (o del cerchione);

• PCD;

• ET (offset);

il diametro del canale è quello riferito al punto di appoggio della parte interna della gomma (la

gola che ospita le labbra del pneumatico); la larghezza del canale (anche chiamata calettamento)

è quella della zona interna della gomma considera in corrispondenza del punto dove si misura il

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diametro di quest’ultima; è importante conoscere la giusta larghezza del canale in base alla

larghezza dello pneumatico che vorremo montare (es.: un pneumatico 225 sarà montato su un

canale 7,5 o al massimo su un canale 8,0). Sulle moto la larghezza ottimale del cerchione è più

flessibile e varia a seconda del tipo di stile di guida; ad esempio a una maggiore richiesta della

capacità d'inclinazione, si adoperano canali più stretti, in modo da poter avere un profilo più

arrotondato possibile, mentre se si esagera si rischia d'avere una ridotta impronta a terra. Alcune

indicazioni a riguardo sono riportate a titolo esemplificativo nella seguente tabella:

Il diametro del punto di appoggio del pneumatico è espresso in pollici (1 pollice=2.539 cm): per

le automobili tipicamente va da 12 a 20”. Anche la larghezza del punto di appoggio si esprime in

pollici e può variare da 4 a 8”. Queste due dimensioni vengono definite con una codifica

approvata a livello internazionale, del tipo:

Dove L è la larghezza interna, D il diametro e J una lettera sempre presente, che definisce la

conformazione del canale (vale per i pneumatici odierni