Ottimizzazione vibroacustica di una trasmissione automobilistica

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Esempio di "Mode shape analysis" in RomaxDESIGNER

La crescente spinta da parte del mercato per soluzioni sempre più efficienti ed ecosostenibili impone la necessità di nuovi approcci progettuali, che consentano di ridurre i tempi ei costi di sviluppo. Va inoltre considerata la crescente importanza che il comfort dei veicoli sta acquisendo, per cui analisi di tipo vibroacustico sono imprescindibili. In tal senso, le possibilità offerte oggi da ambienti software avanzati permettono di ridurre significativamente il ricorso a test sperimentali su prototipi fisici facendo diminuire in modo importante i tempi e i costi di sviluppo. Il Gruppo Volkswagen ha scelto di integrare test sperimentali e simulazioni con RomaxDesigner.

La tecnologia Romax offre a progettisti e costruttori uno strumento software in grado di effettuare valutazioni oggettive in termini di comportamento vibroacustico (NVH) della soluzione nonché analisi di ottimizzazione. Lo strumento però, oltre ad una modellazione dell’emissione acustica e il comportamento vibratorio del sistema, permette, nello stesso ambiente, di dimensionare e verificare il sistema dal punto di vista strutturale e ottimizzarne l’efficienza.  Romax offre dunque un potente strumento che coniuga analisi differenti per una progettazione integrata e completa. Le criticità di una soluzione possono essere identificate in fase di design ed opportunamente sistemate. La verifica NVH a livello concettuale permette il risparmio di tempo e denaro rispetto ad un approccio puramente sperimentale.

Con un fatturato nel 2015 di € 202.500.000.000, Volkswagen Group è tra i maggiori gruppi automobilistici in Europa e fornisce oltre 10 milioni di vetture ogni anno. Ogni quattro nuovi veicoli immatricolati in  Europa occidentale, uno (24,8%) è prodotto da Volkswagen (considerando tutti i brand Volkswagen, Audi, Seat, Skoda, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Porsche, Ducati, Volkswagen Veicoli commerciali, Scania e MAN).

Per mantenere la leadership di mercato, il gruppo è sempre alla ricerca di nuovi strumenti e metodologie in grado di supportare la ricerca e lo sviluppo dei nuovi prodotti. La sfida era quella di sviluppare una strategia affidabile per la validazione del comportamento vibratorio della trasmissione al fine di consentire un’ottimizzazione della progettazione basata su modifiche certe e non su una strategia trial and error.

Per fare questo, il Gruppo Volkswagen ha adottato lo strumento RomaxDESIGNER. L’ambiente di simulazione offre una strategia volta a ridurre al minimo le problematiche legate all’emissione acustica. Sin dalle prime fasi (concettuali) di progettazione, infatti, vengono considerati gli aspetti legati al fenomeno. Avere a disposizione uno strumento che permetta di predire un dato comportamento del sistema consente un’ottimizzazione multi-obiettivo che non porti a penalizzazioni dell’efficienza o durata a valle dello sviluppo per compensare problematiche legate al rumore.

Nello stabilimento principale di Volkswagen a Kassel, in Germania, lavorano oltre 15.000 dipendenti che producono circa quattro milioni di cambi manuali e automatici ogni anno. A Kassel il software RomaxDESIGNER è stato introdotto oltre cinque anni orsono, con lo scopo di sostenere la produzione effettiva di riduttori e garantire l’ottenimento della qualità NVH richiesta. Il reparto di “Acustica e Simulazione” si concentra sulla correlazione tra dati sperimentali e simulazione: «La nostra sfida principale è coniugare il rumore che gli ingranaggi immancabilmente producono con gli standard acustici richiesti», dichiara Carsten Schmitt, dottorando del programma post-laurea di Volkswagen. «Il comportamento vibroacustico è un aspetto così importante in questo settore, soprattutto a causa dell’effetto che le vibrazioni indotte dal cambio possono avere sul comportamento del motore elettrico, che oggi nelle auto ibride è sempre più diffuso. RomaxDESIGNER è usato così da poter prevedere, tramite simulazione, le prestazioni NVH dei nuovi progetti».

Nuove strategie di sviluppo: dal trial and error alla simulazione

Esempio di una vista schematica in RomaxDESIGNER
Esempio di una vista schematica in RomaxDESIGNER

Storicamente, uno studio di correlazione tra geometria e comportamento vibroacustico sarebbe stato condotto sperimentalmente sulla base della misura delle frequenze proprie. Uno strumento software in grado di simulare in modo rapido moltissime differenti configurazioni permette un migliore studio della correlazione tra le modifiche e la risposta del sistema. «Un modello che sia rappresentativo del mondo reale, continua Schmitt, produce in modo rapido una molteplicità di dati, così da consentire decisioni più razionali basate su scelte oggettive».

Una strategia di validazione

La strategia sviluppata da Volkswagen per la validazione del modello si basa su una procedura “step by step”, che valuta la correlazione tra le misurazioni sperimentali e i risultati della simulazione. Tale metodologia si concentra sia sui singoli aspetti come l’eccitazione data da ingranaggi, alberi, cuscinetti, scatola cambio, sia su test a livello di sistema. Se i risultati dei test e delle simulazioni venissero confrontati solo al termine dello sviluppo del progetto complessivo, non risulterebbe possibile capire le cause delle discrepanze, da cui deriva la necessità di eseguire verifiche di correlazione a ogni livello e per ogni step progettuale. Questo permette una miglior comprensione della causa dei problemi premettendone una risoluzione in modo rapido e semplice e riducendo l’impegno in termini di tempo. In questo contesto, il software Romax gioca un ruolo fondamentale permettendo sia l’indagine dei fenomeni vibrazionali nel cambio (a livello di sistema) che una miglior comprensione dei fenomeni fisici con modelli di dettaglio che permettono di intervenire in modo mirato sulle cause. È così possibile soddisfare gli obiettivi prefissati in termini di NVH con progetti all’avanguardia. La possibilità di avere un modello complessivo del sistema costituisce un enorme vantaggio progettuale offrendo uno strumento versatile di modellazione che fornisce una miriade di informazioni utili al progettista per la valutazione della bontà del progetto sotto differenti punti di vista.

Un processo a step

Esempio di  Mode shape analysis in RomaxDESIGNER (incluso l'alloggiamento degli ingranaggi)
Esempio di Mode shape analysis in RomaxDESIGNER (incluso l’alloggiamento degli ingranaggi)

Gli ingranaggi sono il primo elemento considerato nell’analisi, sia sperimentalmente che attraverso simulazioni a differenti livelli di carico. Il modello prevede analisi di contatto. Una scarsa correlazione tra misure e risultati teorici indica una modellazione errata a livello micro-geometrico nella simulazione, o deviazioni nel processo di produzione. In questo modo è possibile, tarando il modello, escludere che una eventuale discrepanza dei risultati del modello complessivo sia attribuibile a una non ottimale modellazione degli ingranaggi. La fase successiva è la validazione degli alberi che consiste di modellare sia le singole parti che i sotto-assiemi ed eseguire analisi agli elementi finiti. Analogamente vengono condotte prove sperimentali necessarie per un confronto dei risultati teorici con cui, come per gli ingranaggi, viene validato il modello. Ogni volta che la correlazione risulta insufficiente, possono essere apportate modifiche al modello stesso in modo quasi automatico che, oltre a portare ad una correlazione migliore, permetteranno di ottimizzare il processo di modellazione per il futuro. La terza fase del processo va a verificare le rigidezze del cuscinetto, ultimo step prima della verifica del modello completo. La validazione può essere effettuata costruendo e provando i componenti sia separatamente utilizzando diversi strumenti, che all’interno del sistema di cui si ha il modello completo. RomaxDESIGNER permette di costruire un modello unico che contenga tutti i sotto-modelli. Tale strategia permette di velocizzare in modo significativo la fase di set-up e modellazione. «Ora che il processo è stato ottimizzato e molti dati sono a disposizione, si è convinti che il lavoro fin qui fatto consentirà, in futuro, significativi risparmi di tempo e costi per nuovi progetti, conclude Carsten Schmitt. È stata sviluppata una strategia chiara per eseguire le procedure di aggiornamento del modello in modo semplice, estendendo la validità e la accuratezza dei modelli delle trasmissioni. Le modifiche progettuali non sono dovute ad una procedura trial and error, bensì si basano su simulazioni affidabili ormai verificate».

I vantaggi applicativi

  • Differenze osservate tra misure e predizioni possono essere corrette rapidamente e facilmente attraverso una comprensione del fenomeno fisico alla base dell’errore, eliminando la necessità di indagini sperimentali aggiuntive.
  • È possibile ottenere e mantenere la fiducia dei clienti fornendo esattamente ciò di cui hanno bisogno, con la sicurezza del risultato.
  • È possibile soddisfare la crescente domanda di ottimizzazione del comportamento vibroacustico così da raggiungere gli obiettivi con progetti all’avanguardia che includano, ad esempio, motori elettrici o riduttori complessi.
  • Le modifiche alla progettazione non sono basate su una strategia trial and error, ma su modelli teorici la cui affidabilità è verificata.

Un nuovo approccio alla progettazione

  • Allontanandosi da approcci di progettazione e analisi ‘tradizionali’ è possibile prendere in considerazione tutti gli elementi di ottimizzazione NVH. Romax permette di modellare correttamente il comportamento NVH non solo a livello di singolo componente ma anche in termini di sistema completo.
  • Il rumore degli ingranaggi, l’efficienza e la durata sono aspetti che possono essere analizzati simultaneamente; RomaxDESIGNER combina, infatti, più modelli matematici.
  • Ridurre i costi di prototipazione e sviluppo rendendo più silenziosi i prodotti è possibile con progetti migliori, ma richiede uno strumento che ne permetta un’analisi dettagliata.

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