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PORTALE DELLA DIDATTICA

Powertrain components design

01NIBLO

A.A. 2018/19

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Automotive Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 66
Esercitazioni in laboratorio 33
Tutoraggio 33
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Delprete Cristiana Professore Ordinario ING-IND/14 33 0 0 0 8
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/13
ING-IND/14
5
5
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
Ingegneria meccanica
Ingegneria meccanica
Il modulo intende introdurre gli studenti alle problematiche di progettazione strutturale del motore, fornendo le conoscenze necessarie per il dimensionamento e la verifica dei principali componenti mediante approccio sia analitico sia numerico. Per quanto riguarda la trasmissione, l'obiettivo è di fornire le conoscenze di base per la progettazione strutturale e l'applicazione della trasmissione, mediante la descrizione delle molteplici soluzioni architetturali e costruttive in uso e l'esposizione delle metodologie impiegate per procedere al loro dimensionamento. Sono anche introdotte nozioni di base per lo sviluppo delle strategie di controllo dei cambi automatici e dei differenziali.
Regarding the engine, the aim is to provide students the basic knowledge for the structural design, sizing and verification of main engine components by using analytical, semi-empirical and numerical approaches. Regarding the transmission, the goal is to provide the basic knowledge for the design and application of transmissions, describing the architectural solutions and the main components, stating the methodologies used to proceed to their size. Basic concepts for development of control strategies of automatic transmissions are also introduced.
Le competenze acquisibili dagli studenti riguardano la conoscenza delle problematiche e delle metodologie di progettazione del motore, della trasmissione e dei loro principali componenti, così come delle metodologie fondamentali per lo sviluppo delle strategie di controllo di alcuni sistemi della trasmissione.
The skills acquired by students will be the knowledge of issues and methods in design engine, transmission and their main components, as well as the methodologies essential to the development of control strategies of some transmission systems.
Conoscenze di comportamento meccanico dei materiali e costruzione di macchine.
To better understand the topics covered by the teaching, the basic knowledge and operative competence on materials mechanical behaviour, structural and applied mechanics, stress state and strain state, machine design are recommended.
Parte su motore Manovellismo: centrato e disassato; spostamento, velocità e accelerazione del pistone e della biella; forze su manovellismo, pistone, biella; momento motore; forze e coppia trasmesse al basamento; motore multicilindro; grado di irregolarità. Basamento: descrizione e caratteristiche; materiali; dimensionamento di massima e verifiche relative a: cartelle, cappelli di banco, canne; analisi numerica. Testa cilindri: descrizione e caratteristiche; schemi di raffreddamento; materiali; dimensionamento di massima e verifiche relative a: testa, prigionieri di serraggio. Biella: descrizione e caratteristiche; materiali; analisi dei carichi; dimensionamento di massima e verifiche relative a: stelo, cappello, occhio piccolo, occhio grande, collegamento filettato cappello-testa di biella. Spinotto: descrizione; materiali; dimensionamento di massima e verifiche; modellazione numerica. Pistone: descrizione; materiali; dimensionamento di massima e verifiche; scambio termico; analisi termo-strutturale; studio dei moti secondari del pistone (piston slap). Albero a gomiti: descrizione e caratteristiche; materiali, dimensionamento di massima e verifiche; analisi dinamica classica (modello torsionale a parametri concentrati); analisi dinamica numerica mista FE-Multibody. Cuscinetti di banco: descrizione e caratteristiche; materiali; schematizzazione delle azioni trasmesse dal motore al basamento; diagrammi polari; studio classico mediante la teoria della lubrificazione, analisi numerica mista elementi finiti - Multibody. Distribuzione: tipologia di comandi distribuzione; alberi di distribuzione; valvole. Fatica termomeccanica: introduzione alla problematica e prove di caratterizzazione; fattori d'influenza per il danneggiamento; modelli di danneggiamento per il calcolo della vita residua. Collettore di scarico: descrizione e caratteristiche; materiali; sollecitazioni; analisi numerica termica e meccanica; applicazione dei modelli di danneggiamento a fatica termomeccanica. Parte su trasmissione Evoluzione storica delle trasmissioni per autoveicolo: cambi manuali; frizione; cambi automatici. Particolarità delle trasmissioni per autoveicolo: cambi e trasmissioni per vettura; cambi e trasmissioni per veicolo industriale; comandi interni ed esterni; definizione rapporti di trasmissione ottimali; elementi di progettazione e sperimentazione. Dispositivi di avviamento: frizione: dettagli costruttivi delle tipologie più diffuse per automobili e veicoli industriali e relativi elementi di progettazione e sperimentazione; convertitore idraulico di coppia: dettagli costruttivi delle tipologie più diffuse per automobili e veicoli industriali e relativi elementi di progettazione e sperimentazione. Sincronizzatori: dettagli costruttivi di un sincronizzatore e relativi elementi di progettazione e sperimentazione. Differenziali e ripartitori: dettagli costruttivi di differenziali per asse motore e ripartitori per trazione integrale e relativi elementi di progettazione e sperimentazione. Influenza del differenziale e del ripartitore (casi ideali e con attrito controllato) sul comportamento dinamico di un autoveicolo; sviluppo di possibili strategie di controllo. Trasmissioni e giunti: alberi di trasmissione per assali rigidi; alberi di trasmissione per sospensioni indipendenti; giunti cardanici e omocinetici. Cambi automatici e semiautomatici: soluzioni tecniche per vettura (cambi a rotismi ordinari, a rotismi epicicloidali, a variazione continua del rapporto) e per veicolo industriale (cambi a rotismi ordinari ed epicicloidali). Strategie di controllo dei cambi automatici: funzioni del sistema di controllo; metodi per la determinazione del rapporto di trasmissione istantaneo ottimale; elementi per la modellazione dei transitori di cambio marcia; sistemi autoadattativi.
Engine part Crank mechanism: Centred and offset layout; Displacement, velocity and acceleration of the piston; Angular speed and acceleration of the connecting rod; Forces on the crank mechanism; Reduction of the connecting rod; Reciprocating inertial force; Centrifugal inertial force; Resultant force on the crank mechanism; Forces on the connecting rod; Engine torque; Forces and moments on the cylinder block; Multi-cylinder engine and most stressed crank; Engine degree of irregularity. Wrist pin: Shape and geometry; Materials; Design guidelines; Numerical analysis (FEA). Connecting rod: Architecture and geometry; Materials; Load analysis; Design guidelines. Crankshaft: Architecture and geometry; Design guidelines; Classical static analysis; Classical dynamic analysis; Numerical dynamic analysis (FEA-MBA). Main bearings: Architecture and geometry; Classical analysis; Numerical analysis (FEA-MBA). Piston: Architecture and geometry; Materials; Design guidelines; Numerical analysis (FEA); Piston Slap. Cylinder head: Architecture and geometry; Cooling circuit; Head gasket, Head cover; Residual stresses; Design guidelines; Numerical analysis (FEA). Cylinder block: Architecture e geometry; Deck; Liners; Fastening of cylinder head and main caps; Residual stresses; Design guidelines; Numerical analysis (FEA). Oil pan: Function and examples; Optimization methodology. Thermo-mechanical fatigue: Introduction; Isothermal fatigue tests; Thermo-mechanical fatigue tests (TMF tests); TMF damage: mechanical fatigue, creep, oxidation; TMF residual life; Constitutive models for TMF; Damage models for TMF; General guidelines for numerical analysis (FEA). Exhaust manifold: Design guidelines; Geometries and materials; Working conditions; Experimental tests on test bench; Life estimations with multi-axial damage models. Distribution system: Timing chain, timing belt and timing gear; Rocker arm and cam to cam systems; Numerical analysis (MBA) of timing chain; Camshaft; Valvetrain; Valve spring design; Valves. Transmission part Transmission functions and architectures: Automotive transmission characteristics (functions, requirements and constraints, specific characteristics and technology); Transmission evolution and current trends (overview); Transmission architectures; Transmission components. Gear ratios definition: Resistance to motion; Top bottom and intermediate gear ratios definition; Gear ratios influence on vehicle acceleration and fuel consumption. Manual Transmissions: Main configurations (forward speeds, reverse speed); Efficiency (power loss contributions, maps and measurement); Passenger cars layout schemes and practical examples (single, double and triple stage); Industrial vehicles layout schemes and practical examples (single and multiple range). Mission and components development process: Mission of vehicle and transmission (endurance, load profile); Assumptions and steps for a preliminary design; Product development steps. Components design and testing. Gears: Gear types; Endurance (fatigue phenomena, failures, damage accumulation); Noise (gear whine, gear rattle). Other components: Shafts; Bearings; Lubrication; Housings and seals. Testing technologies. Synchronizers: Function; Mechanical description (simple and multiple synchronizers, gearshift process); Design criteria (geometric and functional). Shifting mechanisms: Functions; Internal shifting mechanisms (specific functions, interlocking devices); External shifting mechanisms (specific functions, bar and cable mechanisms); Shifting mechanism attributes. Start-up devices. Friction clutches (for MT): Functions; Components (disengagement mechanism, driven plate, thrust bearing); Design criteria. Start-up devices for non-MT: General characteristics; Double clutch units; Hydraulic clutches and torque converters (schemes, equations, characteristic curves, performance on a vehicle, lock-up clutch). Differentials, final drives and transfer boxes: Differentials and final drives (rear and front wheel driven cars, industrial vehicles); All wheel drive transfer boxes (modified rear and front wheel drives); Differential theory outline (friction free differential, differential with internal friction); Self-locking differentials (definition, types, ZF, Torsen and Ferguson systems); Differential effect on vehicle dynamics. Shafts and joints: Shafts (propeller shafts, half shafts); Joints (universal and constant speed joints). Automatic transmissions: General issues (automation level, gearshift mode, stepped and continuously variable transmissions); Car transmissions with fixed rotation axis (with synchronizers, multi disc clutches, dual clutch); Car epicycloidal transmissions (simple and compound epicycloidal gear trains, production examples); Car CVTs (steel belt, rolling bodies); Industrial vehicles automatic transmissions (semi and full automatic transmissions); Control strategies (input/output parameters, speed selection for minimum consumption or comfort, speed choice in real driving conditions, brakes and clutches actuation). Transmissions historical evolution: Manual transmissions; Friction clutches; Automatic transmissions. Current transmissions overview and trends: Market and production trends; Technologies trends and comparison; Application on car segments; Future trends.
Le esercitazioni si basano sul progetto di un motore e del relativo cambio. I docenti forniscono agli studenti i parametri operativi e le specifiche relative al motore e al cambio. Gli studenti che frequentano il corso saranno divisi in gruppi, ognuno dei quali affronterà lo studio di un componente motore o del cambio. Il processo di progettazione si basa sulle nozioni esposte a lezione. Per aiutare gli studenti nello sviluppo del progetto, si utilizza un codice integrato in Siemens NX per la disegnazione del motore. Al termine delle esercitazioni, gli studenti saranno chiamati ad esporre ai docenti e ai loro colleghi i risultati ottenuti. Lo scopo di questo tipo di esercitazione è quello di coinvolgere gli studenti nel reale processo di progettazione di un motopropulsore, fronteggiando i problemi più rilevanti e importanti. Inoltre gli studenti sono incentivati a collaborare, a lavorare in team ed essere capaci di sintetizzare i risultati ottenuti.
The practice consists of an engine and related gearbox design. The teachers provide the students with design constraints and requirements. The attending students will be randomly divided in to several groups. Each group will tackle a different design problem, two of them will be have the responsibility of the project. In particular, each group will design a component of an engine or the connected gearbox. The design process used for the components of engine and gearbox has to implement the contents of lessons. In order to assist the engine design process, a tailored drawing code embedded in Siemens NX is provided to the students. At the end of the practices, students will present the results of their work to other groups and to the teachers. The aim of this kind of training is to involve the students into the actual process of powertrain design, facing the most important and relevant problems. In addition, students are encouraged to collaborate, to work in team and to be able to synthetize the obtained results.
Il materiale utilizzato nelle lezioni, i testi delle esercitazioni ed eventuale ulteriore materiale didattico è reso disponibile sul portale della didattica. Testi di riferimento per approfondimenti: - Makartchouk A., Diesel Engine Engineering, ISBN: 0-8247-0702-8, Marcel Dekker Inc., New York, NY, USA, 2002 - Hoag K.L., Vehicular engine design, ISBN: 0-7680-1661-4, SAE International, Warrendale, PA, USA, 2006 - Stone R., Introduction to internal combustion engines, ISBN 0-7680-0495-0, SAE International, Warrendale, PA, USA, 1999 - Taylor C.F., The internal-combustion engine in theory and practice, The M.I.T Press, Cambridge, UK, 1997 - Vignocchi D., Elementi di Progettazione del Motore, Athena, Modena, 2002 - G. Genta, L. Morello, Progetto dell'autotelaio (parte I), Levrotto e Bella, Torino, 2005
Lectures subjects, text of practices as well as other didactic material are available on Corse Website. Reference textbooks for improving the study: - Makartchouk A., Diesel Engine Engineering, ISBN: 0-8247-0702-8, Marcel Dekker Inc., New York, NY, USA, 2002 - Hoag K.L., Vehicular engine design, ISBN: 0-7680-1661-4, SAE International, Warrendale, PA, USA, 2006 - Stone R., Introduction to internal combustion engines, ISBN 0-7680-0495-0, SAE International, Warrendale, PA, USA, 1999 - Taylor C.F., The internal-combustion engine in theory and practice, The M.I.T Press, Cambridge, UK, 1997 - G. Genta, L. Morello, The Automotive Chassis – vol. I and II, Springer, New York, 2009 - G. Lechner, H. Naunheimer, Automotive Transmissions, Fundamentals, Selection, Design and Application, Springer, Berlin, 1999 - J. Fenton, Handbook of Automotive Powertrain and Chassis Design, Professional Engineering Publishing, London, 1998 - By various authors, Design Practices: Passenger Car Automatic Transmissions, SAE, Warrendale (PA), 1994
L'esame è esclusivamente in forma orale ed è costituito dalla presentazione orale effettuata dagli studenti alla fine delle esercitazioni pratiche e dalla discussione orale di due domande su entrambe le parti del corso (due domande sugli argomenti relativi al motore, due domande sugli argomenti relativi alle trasmissioni). Ciascun elemento è valutato separatamente (con valutazione in trentesimi) e il punteggio complessivo è definito per un terzo dalla presentazione delle esercitazioni, per un terzo dalle domande sul motore e per il restante un terzo dalle domande sulle trasmissioni. L'esame orale intende comprendere l’effettivo livello di comprensione di tutti gli argomenti del corso; schemi e formule devono essere dimostrati e discussi e i passaggi metodologici di sviluppo degli argomenti devono essere evidenziati e spiegati. L'esame dura circa 30 minuti.
The exam is exclusively oral and it is constituted by the oral presentation the students made at the practice end and the oral discussion of two questions on both parts of the course (two questions on engine, two questions on transmissions). Each element is separately evaluated (with a rating in trentesimal value) and the overall score is defined by one third of the practice presentation, one third of the engine arguments and the remaining one third of the transmission arguments. The oral exam intends understanding the actual level of comprehension of all the course topics; schemes and formulas must be demonstrated and discussed and the methodological steps of topics development must be highlighted and explained. The exam lasts about 30 minutes.


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