Efficientamento del comfort di guida di un'auto d'epoca di lusso tramite test di vibrazione

La Lancia Flaminia

Lancia è stata un celebre produttore di automobili italiano, con una storia che risale al 1906. L'azienda era rinomata per la produzione di veicoli di lusso e ha lasciato un'impronta significativa nell'industria automobilistica. Nel 1957, presentò la sua innovativa Lancia Flaminia, una vettura di fascia alta che prende il nome dalla Via Flaminia, famosa strada romana costruita nel 220 a.C.

Le versioni 813/823/824/826 sono state realizzate fino al 1970.

Durante il suo periodo di produzione, è stata il modello di punta della gamma Lancia, sostituendo il precedente modello Aurelia. La Flaminia era disponibile in diverse varianti di carrozzeria, ossia la berlina, la coupé e la cabriolet. La versione berlina di questa vettura è stata progettata in collaborazione con la rinomata società italiana di design automobilistico, Carrozzeria Pininfarina. Pininfarina ha anche prodotto quattro limousine “Flaminia presidenziale" allungate, destinate ad essere utilizzate in occasioni ufficiali di stato. Le versioni coupé e cabriolet erano auto personalizzate, con carrozzerie realizzate da rinomate carrozzerie italiane. Grazie alla maestria di Pininfarina, la Flaminia acquisì un design elegante e distintivo, che ancora oggi cattura l'attenzione degli appassionati di auto d'epoca.

Durante i suoi 13 anni di produzione, sono state vendute complessivamente 12.633 unità.

Un aspetto interessante è che le versioni coupé hanno superato in vendite la berlina a quattro porte, un fatto insolito che di solito si riscontra solo nei modelli compatti e di medie dimensioni americani, dove le versioni coupé sono modelli standard che costano quanto o addirittura meno della berlina. Tuttavia, nel caso delle Flaminia coupé, le carrozzerie personalizzate le rendevano considerevolmente più costose delle berline di tipo limousine di serie.

Dopo il lancio della Flaminia, la casa automobilistica Lancia affrontò una serie di difficoltà finanziarie che alla fine portarono al suo fallimento. Nel 1969, la Fiat acquisì Lancia, portando avanti la produzione di vetture Lancia.

Per ulteriori informazioni e dettagli sulla Lancia Flaminia.

Il veicolo attualmente testato è di proprietà di un appassionato collezionista che apprezza la combinazione tra tecnologia e auto d'epoca. Oltre ad essere una preziosa testimonianza del passato, questa Flaminia viene utilizzata per matrimoni e altri eventi festivi, contribuendo a creare un'atmosfera unica e nostalgica.

Lancia Flaminia Berlina (1963-1967)

Il partner di Testing - EASTING

Abbiamo consultato l'azienda Easting per i servizi di testing. Loro sviluppano e personalizzano soluzioni di misura. Abbiamo trovato in loro il partner ideale per la risoluzione dei problemi. L'esperienza dell'azienda nel testing le consente di guidare i clienti attraverso tutti i passaggi di misura. Dalla scelta, fornitura e configurazione degli strumenti più appropriati, all'elaborazione e l'analisi dei dati misurati.

Il problema - squilibri dell’albero

Il collezionista di auto d'epoca ha preso contatto con Easting per affrontare il problema delle vibrazioni sulla sua Lancia Flaminia Berlina degli anni '60. Le eccessive vibrazioni stavano compromettendo il comfort di guida del veicolo.

La Lancia Flaminia Berlina è una vettura a trazione posteriore, equipaggiata con un motore V6 da 2.8 litri ed uno dei suoi aspetti distintivo è il sistema di trasmissione, chiamato transaxle. Questo sistema combina la trasmissione e l'asse posteriore, consentendo la trasmissione della potenza del motore alle ruote posteriori e fornendo i rapporti di marcia necessari per l'accelerazione e la decelerazione.

I transaxle utilizzati dalla Lancia sono noti per essere leggeri, efficienti e affidabili. Sono stati impiegati in diversi modelli Lancia e sono considerati un componente chiave per il successo dei veicoli dell'azienda. Lancia ha posto grande attenzione nella progettazione dei suoi transaxle al fine di garantire prestazioni ottimali e una lunga durata nel tempo.

Nella maggior parte delle automobili, la frizione è direttamente collegata al gruppo motopropulsore. Tuttavia, la Lancia Flaminia presenta un'architettura diversa: la frizione è posizionata nel carter del cambio, nella parte posteriore del veicolo. Il cambio, a sua volta, è integrato con il differenziale ed i freni posteriori in un'unica unità. Questa soluzione tecnica sofisticata garantisce una migliore distribuzione del peso, aderenza e capacità di frenata.

Questa configurazione implica che l'albero di trasmissione sia sempre in rotazione insieme all'albero motore. Di conseguenza, eventuali squilibri nell'albero di trasmissione possono essere avvertiti all'interno dell'auto anche in condizioni di non-stress, come al minimo del motore o a basse velocità di rotazione. Questi squilibri possono manifestarsi sotto forma di vibrazioni o rumori indesiderati, influenzando il comfort di guida complessivo.

Figura 3 - Descrizione dei componenti

Il proprietario ha richiesto l'assistenza di Easting per migliorare l'indice di comfort di guida della sua auto. Ci siamo impegnati a ridurre lo sbilanciamento dell'albero di trasmissione e a verificare lo stato dei supporti in gomma del cambio e del motore.

La soluzione

L'NVH (rumore, vibrazioni e durezza) è una disciplina ingegneristica fondamentale nello studio delle caratteristiche di rumore e vibrazione dei veicoli. Essa comprende diversi aspetti, tra cui:

• La qualità di guida del veicolo, che riguarda il comfort durante la guida.

• La caratterizzazione di componenti come la scatola del cambio, la trasmissione, la pompa (considerando aspetti come la rumorosità, i fruscii, ecc.).

• L'analisi del gruppo propulsore e della trasmissione.

• Le forme di deflessione operativa.

• La diagnosi delle macchine rotanti.

• L'analisi del percorso di trasferimento e della propagazione strutturale.

Per svolgere la misura dello sbilanciamento, è possibile utilizzare sistemi di acquisizione dati (DAQ) dalla famiglia SIRIUS insieme al software DewesoftX. Questo software offre funzionalità specifiche per il modulo di bilanciamento e l'analisi ODS (Operational Deflection Shape) nel modulo di Modal Testing.

Configurazione del sistema

Per i test di vibrazione, abbiamo utilizzato attrezzatura disponibile presso EASTING. Ecco l'elenco:

• SIRIUS-HD-16xACC: sistema di acquisizione SIRIUS con 16 canali differenziali, che supporta l'ingresso di tensione e IEPE per la registrazione dei segnali.

• SIRIUSm-3xACC-1xACC +: un sistema di acquisizione dati SIRIUSm con 4 canali differenziali, che supporta l'ingresso di tensione e IEPE per l'acquisizione dei segnali.

• SIRIUS-CUSTOM: un sistema di acquisizione dati SIRIUS con 16 canali, utilizzato per ulteriori misure e registrazione dei segnali.

• DewesoftX: software di acquisizione dati che offre funzionalità avanzate per la registrazione, l'elaborazione e la visualizzazione dei dati raccolti durante i test.

• DewesoftX Rotor Balancer: un modulo aggiuntivo del software DewesoftX utilizzato per il bilanciamento del rotore a singolo e doppio piano.

• DewesoftX Modal Test: un add-on di testing modale per il software DewesoftX, utilizzato per l'analisi modale e la caratterizzazione delle vibrazioni.

• 8 accelerometri triassiali PCB Piezotronics: accelerometri utilizzati per la misura delle vibrazioni su tre assi, fornendo dati accurati sui livelli di vibrazione.

• 1 pick-up tachimetrico per RPM: un dispositivo utilizzato per la misura delle velocità di rotazione (RPM) durante i test di vibrazione.

L'utilizzo di questa attrezzatura ci ha consentito di acquisire dati precisi durante i test di vibrazione e di effettuare un'analisi dettagliata delle caratteristiche dinamiche e delle vibrazioni del veicolo.

L’equilibratura dell’asse del veicolo

La bilanciatura dell'asse di un veicolo stradale è un processo importante per garantire una distribuzione uniforme del peso intorno all'asse. Per facilitare questo processo, il sistema di bilanciamento Dewesoft per corpi rotanti offre un facile procedimento diviso in tre fasi:

1. Registrazione dello stato attuale

2. Aggiunta di una massa di prova: Questo viene fatto per identificare l'effetto che una determinata massa ha sull'equilibrio del sistema.

3. Aggiunta della massa di correzione calcolata: Questa massa di correzione viene  posizionata all'angolo appropriato per compensare lo squilibrio rilevato. 

Per garantire che l'asse del veicolo non subisca modifiche nella sua disposizione originale, sono state progettate coppie di anelli specifici. Questi anelli consentono l'applicazione delle masse di bilanciamento senza alterare la configurazione originale dell'asse, garantendo così una soluzione efficace e precisa per la bilanciatura del veicolo.

Abbiamo utilizzato il modulo software di equilibratura Dewesoft per ridurre in modo efficace le vibrazioni correlate al primo ordine. Il procedimento pratico adottato è stato il seguente:

1. Abbiamo effettuato una misura dello stato iniziale, registrando le vibrazioni presenti e identificando lo squilibrio dell'albero di trasmissione.

2. Successivamente, abbiamo aggiunto un peso di prova con una massa nota all'albero. 

3. Utilizzando i dati raccolti nella fase precedente, abbiamo calcolato con precisione la posizione e la massa necessarie per un contrappeso.

4. Dopo aver rimosso il peso di prova, abbiamo aggiunto il peso calcolato sul lato opposto dell'albero di trasmissione. 

Grazie all'utilizzo del software Dewesoft per l'equilibratura, siamo riusciti a raggiungere un notevole successo nel ridurre le vibrazioni sugli accelerometri posizionati. In particolare, siamo riusciti ad ottenere una riduzione del 70% delle vibrazioni complessive, migliorando notevolmente il comfort del veicolo.

Dopo aver ricevuto il feedback del proprietario, abbiamo compreso che nonostante i notevoli miglioramenti, il comfort dell'auto non era ancora perfetto. Pertanto, abbiamo deciso di effettuare ulteriori analisi ed indagini.

La nostra attenzione si è concentrata sulla verifica dei supporti e sulla procedura di bilanciamento utilizzata. Abbiamo notato la presenza di una frequenza naturale sospetta, il che ci ha portato a riflettere sulla possibilità che il bilanciamento sia stato influenzato dalla risonanza. È fondamentale evitare di bilanciare attraverso la risonanza, poiché ciò potrebbe compromettere i risultati!

Inoltre, abbiamo analizzato il comportamento di un sistema elastico presente nell'auto, che può variare le sue proprietà in base alla temperatura e al carico. 

Per ottenere una comprensione più approfondita del comportamento del sottoscocca e delle vibrazioni presenti, abbiamo strumentato l'auto per effettuare il test di Operational Deflection Shape (ODS). Questo consente di rilevare le modalità di vibrazione e le deflessioni operative del veicolo durante le diverse condizioni di guida. 

Il nostro obiettivo è raggiungere una soluzione ottimale per soddisfare le aspettative del proprietario in termini di comfort e piacere di guida.

Forme di Deflessione Operativa (ODS)

Le forme di deflessione operativa (ODS) rappresentano una tecnica importante per identificare le cause principali dei problemi in sistemi meccanici, come vibrazioni, rumore o fallimento per fatica. Questo metodo fornisce una visualizzazione del movimento dei singoli componenti durante il funzionamento e consente di comprendere come una macchina o una struttura si muova all'interno delle sue condizioni operative.

Durante il test ODS, non vengono applicate forze artificiali al sistema in prova. La macchina viene sollecitata unicamente dalla sua normale attività, mentre i sensori, solitamente accelerometri, posizionati strategicamente sul sistema, misurano il movimento dei componenti durante il funzionamento. I dati raccolti vengono utilizzati per creare una rappresentazione grafica del movimento del sistema stesso, chiamata forma di deflessione operativa (ODS).

Analizzando attentamente le forme di deflessione operativa di un sistema in azione, gli ingegneri e i tecnici sono in grado di individuare le aree soggette a stress o movimenti eccessivi. Questa analisi consente loro di adottare misure correttive per affrontare il problema e migliorare l'affidabilità e le prestazioni del sistema.

Forme di deflessione operativa in frequenza (FODS)

Il FODS (Frequency Operating Deflection Shapes) è una variante delle forme di deflessione operativa (ODS) che incorpora l'analisi delle frequenze nel processo di valutazione del comportamento dinamico dei sistemi meccanici durante il funzionamento. Questa tecnica fornisce una visualizzazione del movimento dei componenti del sistema a diverse frequenze, offrendo così una maggiore comprensione del loro comportamento.

L'analisi dei dati nel FODS mira a determinare la frequenza del movimento di un componente specifico. Utilizzando questi dati, viene generata una rappresentazione grafica dei movimenti del sistema a diverse frequenze, chiamata forma di deflessione operativa a frequenza. Questo metodo consente di osservare e comprendere come una macchina o una struttura si muove durante l'azione a una frequenza specifica.

Il FODS è uno strumento prezioso per gli ingegneri ed i ricercatori che desiderano approfondire la comprensione del comportamento dinamico di un sistema. I risultati possono poi essere utilizzati per ottimizzare la progettazione, migliorare le prestazioni e garantire il comfort e la sicurezza degli utenti.

Durante la nostra misura del sistema di trasmissione della Flaminia, abbiamo acquisito solo segnali grezzi per rendere il test il più veloce e snello possibile. 

L'utilizzo del FODS, rispetto all'ODS, presenta numerosi vantaggi. Uno di questi è la capacità di identificare aree di movimento o stress eccessivo a frequenze specifiche. Ciò può rivelarsi particolarmente utile nel rilevare problemi che potrebbero non essere evidenti attraverso un'analisi ODS tradizionale. Ad esempio, se un sistema sta subendo vibrazioni a una specifica frequenza, un'analisi ODS potrebbe non riuscire a rivelare la fonte del problema. L'analisi FODS, invece, può individuare i componenti che si muovono in modo eccessivo a quella frequenza, facilitando l'individuazione della causa alla radice del problema.

Un altro vantaggio del FODS è la possibilità di ottenere una comprensione più dettagliata del comportamento dinamico di un sistema. Analizzando il movimento dei componenti del sistema a diverse frequenze, è possibile identificare schemi o tendenze nei dati che potrebbero non essere chiaramente evidenti attraverso un'analisi ODS standard. Il FODS può quindi identificare potenziali problemi o essere utilizzato per sviluppare strategie mirate al miglioramento delle prestazioni del sistema.

La suite DewesoftX Modal supporta i test sia di ODS che di FODS. Nel caso del FODS, uno dei sensori di accelerazione viene definito come segnale di riferimento dell’eccitazione, mentre gli altri sensori agiscono come sensori di risposta. Nel software, è possibile visualizzare le animazioni, anche se è importante notare che queste funzionano in modo ottimale solo nelle aree in cui è presente una buona coerenza dei dati.

Tuttavia, è importante considerare che, nel nostro caso, l'unico canale matematico disponibile online era quello che calcola il valore RPM (giri al minuto) dal pulse train di tensione del tachimetro pick-up. 

Guardare la registrazione: Risultato del calcolo dell’Angle Sensor Math

Durante l'analisi, è stata valutata la forma di deflessione operativa dei punti misurati al fine di determinare l'ampiezza delle vibrazioni ai RPM/ordine critici. 

L'analisi degli Ordini consente di separare le vibrazioni rotazionali o alternanti in ordini. Il primo ordine rappresenta il valore di riferimento corrispondente alla velocità di rotazione della macchina (RPM). In altre parole, il primo ordine e la frequenza di rotazione hanno lo stesso valore. Gli ordini successivi (2, 3, 4, ecc.) rappresentano multipli di tale valore.

Conclusione

L'analisi dell'Operational Deflection Shape (ODS) ha rivelato una riduzione del primo ordine alla frequenza sincrona, ma è stata riscontrata una modalità di deflessione del cambio a 12 Hz ancora troppo “animata”. Sebbene il problema di squilibrio dell'albero sia stato risolto, il comportamento complessivo richiede ulteriori miglioramenti.

Il prossimo passo consisterà nella sostituzione dei vecchi supporti usurati del cambio per poi ripetere il test e valutare il comportamento del cambio. Sarà necessario verificare se tali interventi abbiano un impatto positivo sulla modalità di deflessione del cambio a 12 Hz. In caso contrario, potrebbe essere opportuno riesaminare l'equilibratura dell'albero di trasmissione.