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La tesi che viene presentata dal candidato è stata redatta durante l’attività di tirocinio
svolta all’interno dell’ufficio di calcolo e simulazione di HPE, azienda con
sede a Modena e che si occupa principalmente di consulenze ingegneristiche in ambito
motorsport, automotive, difesa e automazione. Il lavoro svolto dal candidato
consiste nello studio e nell’analisi dinamica di un sistema di trasmissione a catena
per distribuzione motore, appartenendo quindi alla seconda delle categorie sopra
elencate. La trasmissione a catena oggetto dello studio è stata montata su un motore
V6 di grossa cubatura sviluppato internamente da HPE per una nota casa
automobilistica britannica. L’azienda non possedendo però il necessario know-how
per lo sviluppo di una trasmissione a catena ha deciso di affidarsi ad un fornitore
esterno, leader del settore, per le simulazioni e necessarie validazioni della catena e
di tutte le componenti ad essa collegate, quali guide, pignoni e tendicatena idraulico.
Essendo un sistema di trasmissione del moto che poco viene discusso in ambito
accademico viene presentato nella prima parte di questo elaborato un modello dinamico
teorico che ben rappresenta la fisica della catena. Il modello preso come
riferimento è quello che ha la maggior diffusione nei testi specifici riguardanti questo
tipo di trasmissione ed è anche lo stesso modello che viene poi usato all’interno
del software di modellazione multibody che è stato scelto per le simulazioni lato pc.
Appare quindi da subito evidente come uno degli obiettivi del lavoro sia stato
quello di fornire un modello e il necessario know-how all’azienda per lo studio, la
modellazione e la successiva validazione del sistema di trasmissione a catena per
la distribuzione motore, in modo da consentire in futuro una maggiore indipendenza
rispetto a fornitori esterni anche per questa tipologia di simulazioni. Per
poter effettuare questo lavoro è stato necessario avere dei risultati target, validati
dall’azienda fornitrice della catena, su cui fare riferimento per le simulazioni e per
le successive validazioni del modello. Il fornitore, quindi, ha consentito la visione
del tiro catena su tutti i regimi di funzionamento motore, essendo esso il dato di
riferimento per un corretto confronto fra due sistemi di trasmissione a catena, e
questo ha consentito la validazione del modello creato sul software di simulazione.
multibody.
Altro obiettivo ma non di minore importanza è stato quello di confermare alcune
ipotesi che erano state precedentemente assunte da HPE per effettuare le simulazioni
dinamiche degli alberi a camme, quindi, delle valvole e infine dell’albero motore.
Le simulazioni dei suddetti elementi erano state effettuate senza considerare la modellazione
dinamica completa della catena, assumendo, quindi, che il moto valvola,
e in generale tutta la distribuzione motore, non venisse in alcun modo influenzata
dalla dinamica di un sistema di trasmissione a catena correttamente progettato,
come se la trasmissione del moto dall’albero motore all’albero a camme avvenisse
in maniera cinematica. Per quello che riguarda la dinamica dell’albero motore, l’ipotesi
risulta essere corretta, in quanto il moto imposto a questo corpo deriva dallo
scoppio della miscela all’interno del cilindro, evento che non può in alcun modo
essere in influenzato dalla trasmissione a catena se non per quello che riguarda una
scorretta apertura e chiusura della valvole dovuta a una dinamica della trasmissione
troppo lontana dal cinematismo ideale che si vorrebbe imporre tra albero a gomiti
e albero a camme. Da quanto appena detto è evidente come l’ipotesi che la dinamica
dell’albero a camme non venga influenzata dalla dinamica della trasmissione
a catena ha necessità di essere verificata, in quanto il moto imposto al suddetto
albero deriva proprio dalla trasmissione stessa e non da un evento esterno quale
lo scoppio della carica fresca, come avviene nell’albero a gomiti. In Fig. 1.1 viene
mostrata la sequenza di eventi che avviene in una distribuzione per un motore a
combustione interna, risulta dalla figura chiaro che inserendo la modellazione completa
del sistema di trasmissione a catena si voglia andare a validare le precedenti
simulazioni effettuate dall’azienda sulla dinamica degli alberi a camme e quindi
della dinamica del moto valvola, verificando di conseguenza anche le simulazioni
dinamiche dell’albero a gomiti e le ipotesi semplificative che erano state seguite per
tutte le simulazioni precedenti all’integrazione del sistema di trasmissione a catena.L’ambiente software multibody scelto per lo svolgimento di quest’attività è il
pacchetto GT-Suite, tale scelta è stata fatta non tanto per le sue peculiarità di
modellazione nell’ambito della trasmissione a catena, ma in quanto il software è
stato usato dall’azienda per tutte le simulazioni precedenti di albero motore, alberi
a camme e moto valvola, e quindi esso consente una perfetta integrazione al suo
interno di tutti i sottosistemi che compongono una distribuzione motore.
Nei primi due capitoli di questa tesi vengono fornite le basi per introdurre il lettore
all’argomento e alla comprensione sia della distribuzione motore che del funzionamento
e della dinamica della catena e dei componenti ad essa connessi. In particolare
nel capitolo 2 viene presentata brevemente la distribuzione di un motore
a combustione interna di moderna concezione e le varie tipologie di trasmissione
per distribuzione, presentando quindi le varie soluzioni presenti attualmente nel
settore automotive. Successivamente, nel capitolo 3, si passa alla descrizione dettagliata
del modello dinamico della catena, a cui fa riferimento anche il software
per simulazioni lato pc. All’interno del capitolo vi è anche la descrizione di tutti i
componenti collegati alla catena e di come essi vengono semplificati all’interno del
modello dinamico.
Nel capitolo 4 viene quindi mostrato l’iter che è stato seguito per arrivare alla modellazione
completa della distribuzione motore. Dopo una breve introduzione alla
teoria multibody usata da GT-Suite, viene presentata la trasformata di Fourier e ilconcetto, ad essa collegato, degli ordini motore, concetto che sarà utile al lettore per
l’analisi dei risultati delle simulazioni effettuate. Viene infine introdotto il modello
semplificato di trasmissione, comprendente solamente il sistema di trasmissione a
catena e i suoi elementi, e successivamente esso viene ampliato passo passo con altri
elementi della distribuzione motore andando a validare ogni step con i risultati del
fornitore. Nella sua configurazione finale il modello comprende al suo interno una
completa modellazione della distribuzione comprendendo quindi gli alberi a camme,
bilancieri, sistemi di richiamo valvola e la valvola stessa nella sua complessità.
Nel capitolo 5 vengono confrontati i modelli creati nel capitolo precedente per capire
quale sia il reale vantaggio di avere una modellazione sempre più completa ma
inevitabilmente più complessa. Verranno, quindi, analizzati i tempi di calcolo e i
reali vantaggi e svantaggi delle varie soluzioni affrontate. Per un corretto confronto
vengono analizzati i segnali di ciascun modello nel dominio della frequenza, al fine
di capire nel dettaglio quali informazioni in più porta un modello di maggiore complessità
e se queste sono realmente importanti al fine dell’analisi di una trasmissione
per la distribuzione motore.
Infine nel capitolo 6 vengono presentati i moti valvola dei modelli completi degli
assi a camme, confrontando quelli con la presenza del sistema di trasmissione completamente
modellato e quelli privi di quest’ultima. Nella prima parte del capitolo
vengono brevemente descritte le principali grandezze da analizzare al fine di introdurre
il lettore all’argomento e successivamente vengono mostrate le simulazioni
eseguite e i dati ottenuti, con il finale confronto fra i moti valvola ottenuti dalle
diverse configurazioni dei modelli, andando così a validare le simulazioni precedentemente
svolte da HPE e confermando quindi le ipotesi che erano alla base di
quest’ultime.