MotoMacchina Project: Steering Mechanism Multibody Modeling and Optimization

Giovanni Stefani – ing.stefani.giovanni@gmail.com
Degree in Mechanical Engineering
 

The aim of this project is to simulate and optimize the behavior of the entire MotoMacchina steering mechanism. MotoMacchina is an innovative four rolling wheels vehicle, characterized by brand new and unique solutions.

Introduzione

Il progetto Motomacchina ha come scopo la realizzazione di un prototipo di auto che unisca il piacere di guida di una motocicletta alla sicurezza e stabilità di un autovettura.

Nello specifico si vogliono sfruttare i vantaggi derivanti dal rollio in termini di forze generate dallo pneumatico e l’abbassamento del baricentro dell’intero veicolo tipici delle motociclette, alla stabilità intrinseca di un un veicolo che poggia su quattro ruote e la sicurezza deputata al telaio che avvolge completante gli occupanti tipiche delle autovetture.

Per conseguire questi obbiettivi il prototipo adotta, oltre ai pneumatici tipici di una motocicletta, un’innovativa sospensione a doppio quadrilatero (rappresentata parzialmente nelle figure seguenti)

Questa permette il controllo dell’angolo di rollio delle quattro ruote da parte del pilota agendo direttamente sulla slitta di rollio (Roll Slide) attraverso un servomeccanismo come schematizzato nella figura seguente:

La particolare configurazione geometrica della sospensione sfrutta una notevole deformazione dalla configurazione iniziale del doppio quadrilatero per ottenere i 30 gradi di rollio che sono obbiettivo del prototipo. È proprio l’imposizione di questa deformazione ad amplificare i problemi di accoppiamento cinematico tra sterzo e rollio, ossia il movimento di rotazione di rollio della ruota induce un movimento indesiderato di rotazione attorno all’asse di sterzo della stessa e viceversa (si veda per chiarezza la seguente).

Per chiarire ulteriormente gli effetti dell’accoppiamento cinematico dei due meccanismi nel diagramma seguente è tracciato in ordinata l’angolo di sterzo in funzione dell’angolo di rollio per sia per la ruota destra che la ruota sinistra delle sospensioni anteriori del prototipo.

Si osserva che partendo dall’origine e:

  • aumentando l’angolo di rollio verso destra si ha come conseguenza un aumento dell’angolo di sterzo di entrambe le ruote verso sinistra oppure;
  • aumentando l’angolo di sterzo verso sinistra si ha come conseguenza un aumento dell’angolo di rollio di entrambe le ruote verso la medesima direzione.

Partendo invece da una posizione di rollio nullo (che si trova sull’asse delle ordinate) con un angolo di sterzo iniziale prefissato e:

  • aumentando l’angolo di rollio verso destra si ha come conseguenza una rotazione di entrambe di entrambe le ruote verso sinistra oppure;
  • aumentando l’angolo di rollio verso sinistra si ha come conseguenza una rotazione di entrambe di entrambe le ruote verso destra;

questo produce come conseguenza un aumento o una riduzione non desiderata dell’angolo di sterzo inizialmente imposto, con situazione limite, per bassi angoli di sterzo iniziali, di inversione della direzione delle ruote rispetto a quella imposta.

Ai fini pratici si traduce in una difficile predizione della reazione del veicolo da parte del pilota che si appresta a compiere una manovra in quanto quest’ultimo deve gestire separatamente entrambi i controlli.

Lo scopo dell’ottimizzazione è quello di ottenere un disaccoppiamento perfetto della rotazione di sterzo dalla rotazione di rollio e viceversa come rappresentato nel grafico seguente:

Si osserva che partendo dall’origine, o da qualsiasi configurazione con angoli inizialmente fissati, e variando singolarmente l’angolo di rollio o l’angolo di sterzo ci si muove rispettivamente su una retta orizzontale o verticale senza variare l’altro angolo.

Prima soluzione: idroguida a retro controllo elettronico

Una prima soluzione consiste nel disaccoppiare meccanicamente la rotazione di sterzo della ruota sinistra dalla quella della ruota destra ed entrambe dal rollio imposto al telaio della vettura. Questa soluzione si realizza deputando il controllo dell’angolo di sterzo per la singola ruota ad un attuatore idraulico collegato esternamente al porta mozzo e internamente al braccetto inferiore della sospensione (Lower Wishbone). Il controllo dello sterzo avviene sempre tramite la rotazione del volante letta da una centralina che traduce il segnale in ingresso a delle servo valvole, queste controllano il singolo martinetto idraulico. Il retro controllo avviene tramite dei sensori lineari che rilevano la posizione dei singoli martinetti e della slitta di rollio per poter garantire il corretto allungamento degli attuatori.

Nella figura seguente è rappresentato schematicamente il funzionamento di questa prima soluzione per un movimento di puro sterzo della ruota.

Da una prima simulazione in cui si sono fatti muovere asimmetricamente gli attuatori, cioè allungando di 10mm l uno e accorciando di di 10mm l’altro, così da ottenere una rotazione di sterzo equiversa per entrambe le ruote, si ottiene il grafico seguente:

Si osserva che

  • per piccoli angoli di sterzo, inferiore ai 5 gradi, la rotazione di rollio influisce sull’angolo di sterzo in modo trascurabile (Asse delle ascisse);
  • per piccoli angoli di rollio, inferiore ai 5 gradi, la rotazione di sterzo induce una piccola rotazione di rollio equiversa a quella di sterzo stessa, cioè favorisce la manovra (Asse delle Ordinate);
  • per elevati angoli di sterzo, superiori ai 10 gradi, la rotazione di rollio induce un aumento dell’angolo di sterzo, questo aumento è molto più marcato sulla ruota interna (rispetto all’asse della traiettoria curva) portando in alcune condizioni all’impuntamento del meccanismo;
  • per elevati angoli di rollio, superiori ai 10 gradi, la rotazione di sterzo induce un aumento dell’angolo di rollio effettivo.

Andando a calcolare la derivata dell’angolo di sterzo lungo l’angolo di rollio si ottiene un indice della accoppiamento cinematico delle due rotazione:

  • se la derivata è nulla in tutto al variare dell’angolo rollio per tutti gli angoli di sterzo iniziali allora i due meccanismi sono perfettamente disaccoppiati;
  • all’aumentare della derivata aumenta l’influenza dell’accoppiamento cinematico tra i due meccanismi:
    • per dS/dR alto a piccole variazioni del rollio conseguono elevate variazioni dello sterzo e quindi elevato accoppiamento;
    • per dS/dR basso a piccole variazioni del rollio conseguono basse variazioni dello sterzo e quindi basso accoppiamento;
  • il massimo e il minimo della derivata d(Sterzo)/d(Rollio) costituisco l’intervallo da minimizzare per avere un buon disaccoppiamento meccanico tra i due meccanismi.

La derivata dell’angolo di sterzo lungo l’angolo di rollio per la soluzione con idroguida della ruota anteriore destra è rappresentata nel grafico seguente:

Si osserva che i valori massimo e minimo della derivata prima sono di circa 0.9 gradi sterzo per grado di rollio per le configurazioni con sterzo iniziale più elevato denotando un forte grado di accoppiamento tra i due meccanismi.

Dall’analisi dei due grafici precedenti si deduce che il controllo elettronico dell’idroguida al fine di garantire perfetto disaccoppiamento tra i due meccanismi deve fornire dei valori delle lunghezze degli attuatori:

  • non lineari al variare dell’angolo di rollio;
  • con funzioni variabili in funzione dell’angolo di sterzo imposto dal pilota;
  • indipendenti per ogni ruota in quanto gli allungamenti asimmetrici inducono un elevata differenza tra gli angoli di sterzo.

Seconda soluzione: servosterzo meccanico

La seconda soluzione consiste nell’adottare un servosterzo meccanico a cremagliera, di tipo commerciale, collegato direttamente al volante tramite un alberino di rinvio, come rappresentato nella figura seguente:

Questa soluzione dopo alcune simulazione che hanno avuto lo scopo di ottimizzare la posizione dello snodo esterno lato porta mozzo e di quello interno lato cremagliera del braccetto dello sterzo (Steering Rack) al fine di:

  • minimizzare l’accoppiamento dei due meccanismi (sterzo e rollio);
  • evitare l’impuntamento meccanico della sospensione;
  • evitare collisioni con i componenti che costituiscono la sospensione e il telaio;

fornisce un grafico sterzo-rollio seguente:

Si osserva che

  • la variazione dello sterzo per effetto della variazione del rollio è molto meno marcata rispetto alla soluzione con idroguida denotando un grado di accoppiamento inferiore delle due rotazioni nonostante non siano disaccoppiate meccanicamente, come è possibile osservare dal grafico seguente della derivata d(Sterzo)/d(Rollio) , da cui si nota che le curve presentano valori più bassi in tutto il range degli angoli di rollio rispetto a quelli della soluzione precedente;
  • si ha un leggero aumento dell’accoppiamento per le configurazione con grandi angoli di rollio denotato da un aumento della pendenza nelle curve, come si evince anche dal grafico seguente dove la derivata dS/dR presenta valori massimi e minimi che si attestano a circa 0.6 gradi di sterzo per grado di rollio che si presentano solo nelle configurazioni estreme e comunque minori rispetto ai massimi e minimi della soluzione con idroguida.

Dai seguenti grafici sterzo-rollio si può osservare come variando la posizione degli snodi dello Steering Rack si può variare il comportamento della ruota che raggiunge l’angolo di sterzo più elevato per:

  • Elevati angoli di sterzo: come si evince dai grafici seguenti:

  • nel grafico a sinistra la ruota che raggiunge l’angolo di sterzo più elevato è la ruota più esterna rispetto alla traiettoria in curva;
  • nel grafico a destra la ruota che raggiunge l’angolo di sterzo più elevato è la ruota più interna rispetto alla traiettoria in curva.


  • Elevati angoli di rollio: come si evince dai grafici seguenti:

  • nel grafico a sinistra la ruota che raggiunge l’angolo di sterzo più elevato è la ruota più esterna rispetto alla traiettoria in curva;
  • nel grafico a destra la ruota che raggiunge l’angolo di sterzo più elevato è la ruota più interna rispetto alla traiettoria in curva.

Conclusione

Come risulta evidente dall’analisi dei risultati riassunti precedentemente in forma grafica l’adozione e la successiva ottimizzazione della soluzione con servosterzo meccanico produce i seguenti effetti:

  • maggior grado di disaccoppiamento delle due rotazioni;
  • maggior sicurezza in quanto si mantiene il collegamento fisico del volate alle ruote al contrario della soluzione che adotta i due attuatori in casso di rottura o mal funzionamento dell’ impianto idraulico;
  • riduzione dei costi di realizzazione in quanto si possono adottare cremagliere servo assistite derivanti dalla industria automotive ed eliminare l’elettronica di gestione.

Per quanto riguarda il modello realizzato col software LMS VirtualLab sono stati fondamentali:

  • l’utilizzo di geometrie semplici (tipo wireframe) a cui sono stati sovrapposti successivamente i singoli componenti delle sospensioni per la verifica di compenetrazione;
  • un adeguata taratura delle caratteristiche del solutore adottato BDF in termini di:
    • controllo del sistema di attuazione di sterzo e rollio
    • di step integrazione e e step di printout della soluzione
    • adozione di un modello di semplice contatto col terreno dello pneumatico

hanno permesso di ottenere tempi di simulazione estremante ridotti (al di sotto dei 9 secondi) per ogni ciclo di prova (della durata di 40 secondi) necessari per conseguire l’ottimizzazione.

Un ciclo di prova del modello è visibile nel seguente  Video

One Response to MotoMacchina Project: Steering Mechanism Multibody Modeling and Optimization

  1. giuseppe says:

    grazie, era un sogno da piccolo ipotizzare un’auto con guida tipo moto