Università Politecnica delle Marche

Facoltà di Ingegneria

Corso di Disegno Assistito dal Calcolatore I

Docente: Prof. Mandorli

MODELLAZIONE PARAMETRICA E SIMULAZIONE DI UN MECCANISMO DI DISTRIBUZIONE DESMODROMICA PER MOTORI MOTOCICLISTICI

di Federico Gaggiotti

matr. 1005390

1 – Il prodotto

Il prodotto modellato è un meccanismo di distribuzione desmodromica per motori motociclistici. In particolare si tratta di motori Ducati, l’unico produttore ad adottare questo schema. Come dati di partenza sono state utilizzate le misure dichiarate dal costruttore e dei disegni tratti dal libretto di manutenzione del veicolo. In particolare si è rivelata molto utile la seguente vista in sezione della testa del cilindro:

Da quest’immagine sono state ricavate anche le dimensioni non dichiarate degli organi fondamentali, partendo dalle misure conosciute.

Inoltre il modello tridimensionale prodotto è collegato ad un foglio Excel che permette di variare i parametri fondamentali della distribuzione (angoli di apertura e chiusura, diametro delle valvole a fungo, inclinazione ed alzata delle stesse), per poi osservarne gli effetti e valutare le soluzioni più performanti, anche con l’ausilio della simulazione.

2 – Strategia di modellazione

La maggior parte dei componenti presenta geometria abbastanza semplice, ottenibile con protrusioni e scavi, raramente loft (valvole e bilancieri). È stata utile la feature “Nervatura” per i bilancieri, mentre il comando “Raccordo” è servito per addolcire i bordi spigolosi in tutte le parti. Inoltre si è utilizzata la feature campitura per i fori di alleggerimento nelle camme di chiusura, con la variante che la distanza tra i fori cambia in funzione degli angoli di distribuzione previsti. Da notare il fatto che i bilancieri, probabilmente le parti più complesse dell’assieme, erano stati ottenuti interamente da loft, ma in sede di assemblaggio questo comportava dei problemi (meglio descritti nel seguito) che hanno richiesto l’utilizzo di una diversa strategia, decisamente meno comoda, basata su protrusioni e scavi.

I bilancieri di chiusura sono di due tipi, l’uno simmetrico dell’altro, quindi è stato creato un solo modello; l’altro è collegato a questo mediante la feature “Copia parte”, con l’opportuna opzione per la simmetria.

Il bicchierino in testa alla valvola è stato modellato con una semplificazione: è costituito da un solo corpo mentre in realtà dovrebbe avere due parti fissate tramite un anello che fa da battuta, come si vede nell’ingrandimento della sezione riportato a fianco. Con il tipo di modellazione usato il bicchierino risulta impossibile da montare!

Una semplificazione più consistente, che ha conseguenze importanti sulla cinematica del meccanismo, è stata introdotta nelle camme, il cui complesso profilo è stato approssimato usando archi di cerchio raccordati (vedi figura). Ciò è stato necessario per poter introdurre la variabilità degli angoli caratteristici.

La fase che si è rivelata più complessa è stata quella dell’assemblaggio. Non avendo modellato il basamento del motore, mancava la parte fissa su cui basare il montaggio delle altre parti. Quindi sono stati modellati dei perni che fanno le veci del basamento. I perni sono posizionati in riferimento a degli schizzi, le cui quote variano quando si cambiano alcune dimensioni caratteristiche. In particolare gli alberi a camme devono allontanarsi quando si aumenta l’angolo di inclinazione delle valvole rispetto all’asse del cilindro.

Nella fase dell’assemblaggio sono anche emersi i problemi relativi alla forma dei bilancieri, inizialmente ricavati con loft. Il sistema, per poter definire un vincolo di camma, richiede un loop chiuso di facce (il profilo della camma) e una faccia del corpo che funge da punteria. Quest’ultima faccia deve essere piana, sferica o cilindrica, quindi la superficie complessa ottenuta dal loft non risultava adatta allo scopo. L’unico modo per risolvere il problema è risultato quello di rimodellare i bilancieri usando scavi e protrusioni. Un simile discorso vale per le relazioni di tangenza tra superfici.

3 – Aspetti di variabilità geometrica

I parametri caratteristici della distribuzione sono controllati attraverso un foglio di calcolo Excel. Particolari quote come i diametri delle valvole, le alzate delle stesse, gli angoli caratteristici di apertura e chiusura possono essere cambiate manualmente oppure si possono utilizzare le dimensioni realmente utilizzate in specifici modelli Ducati premendo i pulsanti visibili nella seguente schermata.

I pulsanti citati danno il via a delle macro che inseriscono i giusti valori nelle celle delle quote.

Un particolare accorgimento è stato quello di calcolare, in una cella nascosta, la distanza tra gli alberi a camme in funzione dell’angolo di inclinazione delle valvole. Si può osservare nel modello come sia stata significativa in questo senso l’evoluzione dal motore 996 al motore 999. La drastica diminuzione di questo angolo si traduce in una notevole compattezza del meccanismo nel suo complesso, oltre che nel desiderato appiattimento della camera di combustione, derivante dalla necessità di diminuire il rapporto corsa/alesaggio per aumentare il regime massimo di rotazione.

La variabilità geometrica così introdotta ha permesso di realizzare rapidamente simulazioni per i tre modelli di motore considerati; sostanzialmente è bastato premere i pulsanti per cambiare la geometria e dare il via alla simulazione con l’apposito modulo descritto nel seguito.

La semplificazione del profilo delle camme è stata necessaria per poter usufruire della variabilità geometrica del modello: infatti un profilo più realistico, come quello generabile con l’Engineering Handbook, sarebbe ottenuto per punti, il che rende impossibile la variazione degli angoli caratteristici e delle alzate al solo inserimento dei valori desiderati di alzata e angoli caratteristici.

4 – Difficoltà incontrate

Le maggiori difficoltà incontrate sono state in fase di assemblaggio. In particolare la mancanza dei riferimenti è stata risolta con l’uso degli schizzi, che si sono rivelati molto utili anche per la semplicità con cui se ne possono variare le dimensioni con poche quote. L’altra difficoltà dell’assemblaggio è attribuibile invece a una carenza del sistema, che come già detto non permette di utilizzare superfici ottenute da loft nei vincoli di camma e di tangenza. Questo problema ha richiesto una nuova modellazione delle parti interessate, con un procedimento decisamente meno comodo che fa uso di protrusioni e scavi.

Per quanto riguarda la modellazione, l’unico problema incontrato, che ha costretto ad una consistente semplificazione, è stato quello relativo alle curve che descrivono il profilo delle camme. Infatti un profilo realistico non sarebbe stato parametrizzabile.

Inoltre il modulo di simulazione incluso nella versione 14 di Solid Edge, denominato Simply Motion, non permette una soddisfacente modellazione dei contatti tra camme e bilancieri. Infatti mentre tutti i vincoli dati nell’assieme vengono poi tradotti automaticamente nei corrispondenti vincoli cinematici di Simply Motion, i vincoli di camma pur presenti nell’assieme vengono ignorati. L’aggiunta successiva di questi è risultata non realizzabile, dato che comporta numerose semplificazioni che non sarebbero state soddisfacenti per la simulazione. Per superare questo problema si è utilizzato un modulo aggiuntivo.

Per quanto riguarda la creazione dell’esploso, la modalità automatica si è rivelata inutile, anche se la maggior parte dei collegamenti è di tipo assiale, il che dovrebbe rendere immediata l’individuazione della direzione corretta di scorrimento.

Particolarmente scomoda è la disattivazione automatica delle parti nella modalità assieme, che costringe, ogni volta che si voglia cambiare una quota nel foglio Excel che controlla il modello, a riattivare tutte le parti.

5 – Applicazioni complementari

Per superare i problemi detti a riguardo della simulazione si è fatto uso di Motion Professional, una versione estesa del modulo già presente in Solid Edge, che introduce molte funzionalità che si sono rivelate utili. In particolare, si può attivare il contatto tra le parti, che rende possibile che esse si scambino forze come dovrebbe in effetti avvenire tra camme e bilancieri e tra bilancieri e bicchierino in testa alle valvole. Questo tipo di modellazione aumenta notevolmente i tempi di calcolo (circa 40 minuti con il Pentium 1800 MHz utilizzato per un solo giro completo di alberi a camme) ma migliora significativamente il realismo della simulazione, dato che viene tenuto in conto il reale impatto tra i materiali piuttosto che un vincolo cinematico del tipo “muovi questo punto su questa curva”.

Inoltre sono state introdotte delle molle di recupero (presenti in realtà ma non visibili sul modello in quanto modellate solo in sede di simulazione come molle torsionali ideali) che limitino le oscillazioni rese possibili dal gioco di 1 mm che Ducati prescrive per le valvole.

Per semplificare i calcoli si è condotta la simulazione su metà del modello, che risulta chiaramente simmetrico, eseguendo una sezione lungo un piano perpendicolare agli assi degli alberi a camme.

Per analizzare i risultati si sono utilizzati i grafici e i tabulati che Motion Professional mette a disposizione. Si riporta il grafico nel tempo ottenuto per il movimento lungo l’asse della guida delle valvole per la versione 999s.

Valvola aspirazione

Valvola scarico

Nonostante la notevole semplificazione del profilo delle camme, gli andamenti nel tempo delle alzate delle valvole sembrano abbastanza regolari. I tabulati su cui tali grafici si basano sono esportabili come documenti di testo contenenti valori separati da una virgola. Questi valori sono stati importati in Excel per calcolare la corsa delle valvole come differenza tra alzata massima e minima e verificare la reale corrispondenza con i valori richiesti. Si è riscontrata una elevata precisione (decimi di millimetro) nei modelli di motore a minore inclinazione delle valvole rispetto all’asse del cilindro, con una accuratezza comunque buona quando tale angolo aumenta.

Altra interessante funzionalità è quella dell’esportazione di animazioni della simulazione ottenuta in formato avi, che permette una visualizzazione immediata del corretto funzionamento del complesso. (Visualizza l’animazione 1 o 2).