RICERCA ITALIANA     

Contatti e aderenza nelle coppie cinematiche dei veicoli

Università degli Studi di Parma

Abstract

La dinamica dei veicoli terrestri è influenzata dalla presenza di numerosi vincoli unilateri con attrito; ciò si manifesta in particolare nel contatto fra organi di trasmissione e distribuzione, nelle coppie con gioco, negli organi di tenuta, nel contatto ruota e terreno o, nel caso di veicoli ferroviari, fra ruota e rotaia. La conoscenza dei risvolti tribologici e dinamici di tale problematica è di primaria importanza nella progettazione e nell’ottimizzazione dei veicoli, pertanto il presente lavoro di ricerca intende sviluppare aspetti teorici, sperimentali e numerici inerenti ai problemi di contatto, con particolare attenzione ad eventuali fenomeni di aderenza fra le superfici.
L’indagine svolta dalle Unità di Ricerca culminerà nello sviluppo di un modello di simulazione di un intero veicolo, che integri i risultati degli approfondimenti in merito alle diverse manifestazioni dei contatti nelle coppie cinematiche.
In virtù del carattere marcatamente non-lineare del fenomeno di aderenza nei vincoli unilateri, sarà necessario adottare tecniche di simulazione multibody fondate su metodi numerici innovativi. Si prevede l’implementazione dei principali metodi numerici su un innovativo supercomputer di tipo GP-GPU.

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alessandro Tasora Università degli Studi di PARMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Riportiamo di seguito i principali obiettivi che il presente progetto di ricerca si propone di realizzare, osservando che tutti questi convergeranno nella realizzazione di un codice di simulazione ad alte prestazioni:

- Sviluppo di un modello di contatto tridimensionale fra ruota e rotaia che contempli molteplici zone di contatto con attrito. Caratteristica saliente di tale modello sarà, in particolare, la possibilità di essere tradotto in un algoritmo ad elevata efficienza computazionale, quindi mirato ad un’implementazione real-time pur senza dover introdurre drastiche ipotesi semplificative. (Obiettivo prevelantemente a cura dell'Unità di Firenze.)

- Sviluppo di un modello di contatto fra ruota tassellata e terreno, con particolare riferimento al caso di veicoli agricoli, nei quali l’interazione fra tasselli molto sporgenti e terreno cedevole comporta un problema più complesso, e meno tollerante di ipotesi semplificative, rispetto a quello di interazione fra il tradizionale pneumatico stradale e l’asfalto. (Obiettivo prevelantemente a cura dell'Unità di Milano.)

- Indagine sperimentale del contatto in coppie non-conformi di interesse veicolistico (contatti fra camma e piattello, fra ruote dentate, etc.) mediante la costruzione di un apposito banco prova in grado di studiare la lubrificazione elastoidrodinamica fra superfici di varia geometria. Si ricaveranno modelli in grado di fornire stime di attrito ed usura anche >>>

Risultati parziali attesi

La ricerca qui proposta presenta molteplici ed importanti ricadute nei diversi ambiti dell’ingegneria. Fra le potenzialità applicative della presente ricerca, nel seguito citeremo alcuni dei risvolti più significativi.

- Innanzitutto l’indagine sperimentale e numerica del fenomeno di contatto fornirà risultati utili sotto il profilo della scienza tribologica. Ad esempio, lo studio del contatto fra guarnizioni a labbro ed alberi permetterà di realizzare tenute con attriti minori, durata superiore e minime perdite d’olio: data la vastissima applicazione delle tenute in tutto il globo, ciò potrà avere effetti positivi sul consumo di combustibili e sullo spreco di materie prime. Analogamente, lo studio della lubrificazione elastoidrodinamica nelle coppie non-conformi potrà dettare linee guida per la progettazione di lubrificanti e sottosistemi veicolistici (camme, sistemi di distribuzione, etc.) in grado di funzionare in condizioni estreme.

- I diversi tipi di contatto studiati nella presente ricerca sono accumunati dall’insorgenza di forti effetti non-lineari che possono essere trattati solamente sviluppando un software di simulazione basato su metodi numerici moderni. Per quanto in passato siano già stati sviluppati codici di simulazione in grado di trattare, con vario livello di dettaglio, i singoli problemi di contatto qui esposti, è tuttavia noto che la simulazione simultanea di tutti questi problemi richiede risorse e strumenti software >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nello studio e nella progettazione dei veicoli è di rilevante importanza la conoscenza delle condizioni che portano alla condizione d’attrito e contatto intermittente fra gli elementi delle coppie cinematiche. Tale evento può presentarsi in molteplici circostanze, ad esempio nel caso di giochi fra coppie rotoidali e fra ruote dentate, nelle trasmissioni CVT o nelle catene, con differenti manifestazioni in termini di urti e vibrazioni; oppure fra membri deformabili come nel caso di contatto fra tenute ed alberi, o fra pneumatici e terreno.
Da tali considerazioni si evince l'importanza di disporre di validi modelli capaci di valutare gli effetti di giochi, contatti ed attriti nelle coppie cinematiche.
I modelli di contatto di interesse veicolistico reperibili in letteratura sono soggetti a varie limitazioni: o richiedono metodi eccessivamente onerosi in termini di calcolo (FEM), o presentano formulazioni rapide a costo di introdurre eccessive ipotesi semplificative. Ciò è soprattutto vero nel caso della simulazione del contatto pneumatico-terreno. Di particolare importanza è l’osservazione che molto di rado tali modelli possano essere utilizzati contemporaneamente per la simulazione dei numerosi vincoli con attrito presenti in un intero veicolo: infatti, dal punto di vista teorico, la presenza del fenomeno di aderenza nei vincoli unilateri comporta una rilevante complicazione, trattandosi di problema dinamico non-smooth per il quale non è possibile ricorrere >>>