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INTRODUZIONE
Scopo di questa tesi è l’analisi degli elementi della distribuzione dei motori industriali e marini serie
D, R, MD, MR della VM Motori di Cento (FE).
Si tratta di propulsori diesel, dotati di iniezione diretta. Nei motori serie D e MD l’iniezione avviene
grazie ad una pompa iniezione meccanica, mentre nei motori serie R e MR è presente il sistema di
iniezione common rail, che permette di ottenere pressioni di iniezione molto elevate, con maggiori
potenze specifiche ma consumi ed emissioni contenute grazie al controllo elettronico.
Le serie D e R presentano cilindrate unitarie di 750 cm
3
mentre i motori marini serie MD e MR
hanno cilindrate unitarie di 700 cm
3
. I motori sono modulari, esistono versioni sia a 4 e 6 cilindri.
Questa soluzione permette di ottenere una maggiore standardizzazione dei componenti (vengono
utilizzati bielle e pistoni in comune per tutti i motori della stessa serie). I basamenti hanno struttura
simile, a parte il numero di cilindri.
I sistemi di distribuzione di questi propulsori sono comandati tramite ingranaggi. Hanno una
struttura comune; differiscono per gli ingranaggi di comando delle pompe iniezione, a causa delle
diverse coppie assorbite (molto piø basse per le pompe common rail delle serie R e MR), e per gli
ingranaggi di comando delle pompe olio, di cui ne esiste una versione particolare per i motori
marini, quindi per serie MD e MR. Inoltre i motori industriali serie R e D sono disponibili anche in
versioni che prevedono una presa di forza direttamente collegata alla distribuzione, per dare potenza
ad altri dispositivi che richiedono i clienti per le diverse applicazioni, quali pompe idrauliche. Per
dare potenza a questa presa di forza vi sono altri ingranaggi collegati alla distribuzione. La catena di
ruote dentate è stata quindi analizzata interamente.
Gli scopi di questo lavoro sono stati:
• analisi di resistenza degli ingranaggi
• analisi di supporti e alberi su cui sono fissati gli ingranaggi.
L’analisi è stata condotta in:
• condizioni di esercizio piø gravose previste per le attuali applicazioni
• sollecitazioni incrementate in funzione delle richieste di potenze sempre maggiori da parte
del mercato.
Per soddisfare le esigenze future del mercato sono state studiate:
• nuove configurazioni dei supporti per resistere alle maggiori sollecitazioni
• ottimizzazioni degli ingranaggi per avere una riduzione delle emissioni acustiche.
Per raggiungere questi obiettivi è stato necessario approfondire le conoscenze teoriche riguardanti
gli ingranaggi, visto che ciò che viene affrontato nei corsi universitari, per motivi di tempo, non è
sufficiente per trattare completamente l’argomento e gestire eventuali strumenti di calcolo, che
toccano tutti gli aspetti del problema, quali geometria, resistenza, materiali, lubrificazione, rumore,
vibrazioni, lavorazioni, ecc... Per quanto riguarda invece alberi e supporti non è stato necessario
approfondire ulteriormente gli aspetti teorici, già affrontati sufficientemente.
In seguito sono stati studiati gli strumenti da utilizzare come supporto durante questa analisi.
L’ufficio tecnico VM possiede già un foglio di calcolo, sviluppato internamente, realizzato in
ambiente Excel, che permette di ottenere tutti i dati geometrici piø importanti delle ruote, un’idea di
massima delle sollecitazioni, le misure per il controllo delle ruote dentate e il disegno di un dente.
In questo modo, tramite una funzione Macro è poi possibile trasferire il disegno del dente in
CATIA, il software CAD 3D utilizzato in VM, e qui ricreare il disegno 3D della ruota completa,
seppure in modo approssimato.
La prima parte di questo lavoro è stata quindi la completa ricostruzione del foglio di calcolo, che ha
permesso di avere una maggiore dimestichezza con la teoria degli ingranaggi; al tempo stesso sono
state apportate migliorie, implementate nuove funzioni e corretti errori presenti, fino ad avere una
nuova versione. Una volta pronta la versione definitiva sono stati inseriti i dati di tutti gli ingranaggi
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presenti nelle varie versioni dei motori e confrontati i risultati con i dati dei disegni, per verificarne
la correttezza.
Il secondo passo è stata l’analisi delle funzionalità dei software KISSsoft e KISSsys, scelti in quanto
ritenuti leader nel settore dell’analisi e dimensionamento delle catene di ingranaggi; attraverso il
primo si possono analizzare i dati delle singole ruote, mentre col secondo si può avere una visione
globale dell’intero sistema trasmissione di potenza, con anche alberi e supporti. I software KISSsoft
sono di tipo normativo, ossia fanno riferimento ai calcoli riportati nelle norme internazionali. I dati
possono essere forniti in report, che vengono riconosciuti in tutto il mondo da clienti e fornitori, in
quanto fanno riferimento alle piø importanti norme internazionali, quali ISO, DIN e AGMA.
E’ stata inizialmente utilizzata la versione Demo della release del 2006, scaricabile gratuitamente
dal sito internet www.kisssoft.ch, con cui è stato possibile studiare esempi di problemi già
analizzati, senza però operare attivamente. Una volta presa dimestichezza col software è stata poi
attivata, dopo aver richiesto una password all’azienda, una versione di prova della stessa release,
completamente attiva per 30 giorni. Con questa sono stati prima realizzati esempi guidati, in modo
da verificare l’effettiva conoscenza di tutte le logiche da utilizzare nel software, poi sono stati
inseriti i dati degli ingranaggi nel modulo di calcolo opportuno. In seguito è poi stato costruito il
modello dell’intera distribuzione VM, in tutte le diverse varianti previste, con KISSsys, con cui è
stato possibile studiare l’intero sistema, compresi gli alberi e i supporti.
Inoltre sono stati brevemente analizzati anche gli altri moduli di calcolo presenti nel pacchetto
KISSsoft, quali catene, cinghie, viti, saldature, molle ed altro, che possono essere acquistati
separatamente, per testarne l’utilità per l’ufficio tecnico VM.
Altri strumenti di analisi, quali software che adottano metodologie F.E.M., sono già presenti in
azienda e potrebbero essere utilizzati in caso di necessità in futuro, per approfondire l’analisi di
alcuni elementi critici, oppure per affiancare e confrontare l’analisi ottenuta tramite KISSsoft.
Questi possono dare risultati sicuramente piø dettagliati, ma non fanno riferimento a nessuna norma
e richiedono tempi di lavoro molto maggiori. Inoltre non consentono di trattare
contemporaneamente anche l’aspetto riguardante alberi e supporti, come invece è possibile con
KISSsys.
In definitiva sono state evidenziate le potenzialità che offrono i moduli dei software utilizzati per
l’analisi del problema in esame, e l’utilità futura degli altri moduli. In questo modo VM Motori ha
potuto presentare diverse ipotesi di acquisto dei software in esame, piø o meno ricche in base alle
funzioni richieste (sola verifica di ingranaggi, dimensionamento, ottimizzazione, interfacce CAD,
altri moduli di calcolo), che verranno valutate, con un confronto costi – benefici, rispetto agli attuali
prezzi di acquisto.
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CAPITOLO 1
VM MOTORI E KISSsoft AG:
STORIA E PRESENTE DELLE AZIENDE
1.1 VM MOTORI
[39]
VM Motori è stata fondata nel 1947 a Cento, in provincia di Ferrara, dove ha sede ancora oggi; è
un’azienda specializzata nella progettazione e costruzione di motori diesel per gli impieghi piø
diversi, per i settori automotive, industriale, agricolo e marino. VM accoppia flessibilità nel campo
della progettazione alla capacità di adeguare le proprie strutture produttive alle fluttuanti esigenze
del mercato. In questo modo i suoi prodotti, oltre che per la qualità, sono estremamente competitivi
sul piano dei costi.
Con una capacità produttiva di 85000 / 90000 motori e con un organico di 1300 dipendenti,
l'Azienda oggi opera in uno stabilimento di 85.000 mq., di cui 50.000 coperti, per un fatturato che
oscilla sui 260 milioni di euro.
VM vanta il sistema di gestione della qualità certificato in accordo alla normativa internazionale
UNI ISO TS 16949:2002 ed ISO 9001:2000 e alla normativa ISO 14001 per la gestione ambientale.
Le diverse attività aziendali possono essere suddivise nei settori Progettazione, R&D, Acquisti,
Produzione, Direzione vendite, Qualità ed Ambiente, Amministrazione e Gestione delle Risorse
Umane.
Ingresso principale della VM Motori
I motori VM per entrambi i settori vengono progettati e sviluppati all’interno dell’azienda stessa.
La fase di progettazione è supportata da strumentazioni informatiche all’avanguardia, come, ad
esempio, il sistema CATIA, destinato al disegno ed alla progettazione tridimensionale; la fase di
sviluppo e test delle nuove soluzioni è affidata al reparto “Esperienze”, che è in grado di svolgere
prove ed analisi su banchi fissi e a rulli, su strada ed in ambienti estremi.
I reparti che svolgono le principali attività direttamente coinvolte nella produzione sono:
• Ricevimento merci
• Magazzino
• Lavorazioni meccaniche di:
o Basamenti motori
o Alberi a gomito
o Supporti alberi a gomito
o Alberi a camme
• Trattamenti termici di:
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o Alberi a gomito
o Alberi a camme
• Assemblaggio motori
• Sala prova
• Finitura e verniciatura
• Spedizione
Il processo produttivo aziendale segue sostanzialmente l’ordine delle attività sopra elencate.
VM Motori ha mantenuto al proprio interno le lavorazioni necessarie alla produzione degli elementi
piø critici di un motore, sia per poter esercitare un miglior controllo sul processo sia per mantenere
all’interno le soluzioni innovative e l’esperienza acquisita nel corso degli anni. La produzione dei
restanti componenti è delegata a fornitori esterni a cui è richiesto un livello di certificazione tanto
piø elevato quanto piø è critico e/o importante il particolare fornito. E’ in atto anche un processo di
trasferimento della produzione dei componenti “secondari” in paesi quali India e Cina, nell’ottica di
una riduzione generali dei costi, per aumentare la redditività aziendale ma anche per ridurre i prezzi
al cliente.
1.1.1 Le tappe fondamentali della storia
[39]
1947
La VM Motori vede le origini nel 1947, a Cento in provincia di Ferrara (Italia), per iniziativa di due
imprenditori locali di nome Vancini e Martelli: di qui l'acronimo VM che identificherà l'Azienda
fino ai giorni nostri. Situata in una regione nota in tutto il mondo per le sue aziende meccaniche
(Ferrari, Lamborghini, Maserati, Ducati ecc) l'Azienda costruisce il primo motore diesel italiano: un
monocilindrico, raffreddato ad aria, ad iniezione diretta capace di erogare 12 CV a 1700 giri e
denominato 12 DA.
Il mercato ha bisogno di un propulsore di questo tipo: semplice, poco costoso, affidabile e dai
consumi ridotti. La sua produzione si sviluppa rapidamente ed esce ben presto dai confini nazionali
per arrivare sui mercati dei paesi del Mediterraneo.
1962
Per trovare nuovi spazi produttivi, nel 1962 viene inaugurato il nucleo base del suo stabilimento di
produzione che già prevede una articolazione completa dei servizi che poi si insedieranno e si
svilupperanno per dar vita a un complesso produttivo organico e funzionale.
Esso consta di una Direzione, di servizi Acquisti, Vendite e Post-vendite e di un servizio tecnico
strutturato e dimensionato per consentire la costituzione di un reparto Ricerca e Sviluppo, che
svolgerà un ruolo importante nell'evoluzione dell'Azienda e dei suoi prodotti.
1964
Il nuovo stabilimento è in grado di mettere sul mercato diverse famiglie di motori, sempre
raffreddati ad aria, che trovano pronta applicazione su macchine industriali, e sulle barche da pesca,
in particolare destinate al mare Adriatico.
La produzione dei motori viene suddivisa per famiglie costituite da propulsori a 1, 2, 3, 4 e 6
cilindri, caratterizzati da una costruzione modulare dei componenti che semplifica la realizzazione e
ne abbassa i costi.
Il principio della modularità viene applicato ancora oggi nella produzione industriale e marina VM.
1971
L'attività dell'Azienda si era sviluppata a tal punto da aver bisogno di cospicui investimenti per
poter sviluppare una serie di progetti già pronti.
La proprietà individuò in un'operazione di fusione con gli Stabilimenti Meccanici Triestini di
Trieste, che consentirà di entrare a far parte del gruppo IRI-Finmeccanica, la soluzione idonea a
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consentire il processo di sviluppo in atto.
Nacque la Stabilimenti Meccanici VM SpA con due stabilimenti di produzione, uno a Cento, per i
motori industriali, e uno a Trieste, per motori marini e gruppi elettrogeni.
1974
Tra i motori prodotti nello stabilimento di Cento fu realizzata la nuova serie di motori HR (High
Revolution), a precamera, raffreddati ad acqua, sovralimentati e ad elevato regime di giri
(4200rpm).
Sono questi i motori che sul finire degli anni 70 troveranno le prime applicazioni nel settore
automobilistico, anche a seguito della prima, grave, crisi petrolifera che coinvolse il mondo
dell'auto.
Grazie al diesel i costruttori del settore trovarono una prima soluzione al lievitare dei costi nel
settore del trasporto merci e persone.
1979
Al Salone dell'Auto di Francoforte del 1979 fu presentata la prima vettura equipaggiata con un
motore diesel prodotto nello stabilimento di Cento: si trattava di un'Alfetta prodotta dall'Alfa
Romeo di Arese.
Già alla metà degli anni 80 il settore dei motori per auto era diventato molto importante per la VM,
che grazie ad esso ha potuto superare agevolmente le difficoltà che andava incontrando in quegli
anni il comparto dei motori: quelle stesse difficoltà che negli anni successivi portarono a diverse
fusioni tra alcuni gruppi del settore, con conseguente riduzione del numero dei marchi presente sul
mercato.
1989
Sul finire degli anni 80, la Finmeccanica, la finanziaria pubblica dell'IRI che deteneva il pacchetto
azionario dell'Azienda, decise di mettere in vendita la VM, ritenendo non piø strategica per il
Gruppo pubblico la produzione dei motori diesel.
A dicembre dell'89 con un'operazione di leverage buy out che coinvolse i dirigenti e potØ contare
sull'intervento finanziario della banca inglese Midland Montague, la VM Motori tornò ad essere
un'azienda privata, con un unico stabilimento di produzione a Cento, e con la volontà di sviluppare
quello che era diventato il suo settore produttivo piø importante: i motori per auto.
1990
A gennaio di quell'anno, a Milano, l'Azienda presentò un nuovo motore per l'auto, denominato
Turbotronic, che insieme alla sovralimentazione, aveva introdotto l'impiego dell'elettronica nel
controllo del processo di combustione del motore.
Con Turbotronic era nato quello che fu definito il motore piø pulito del mondo, che sarebbe stato
prodotto dalla VM per circa un decennio e che avrebbe consentito di realizzare un parco clienti
costituito dai piø importanti nomi del mercato (Ford, Chrysler, General Motors oltre a Rover, Alfa
Romeo e altri).
1995
Tre quarti del fatturato dell'azienda veniva prodotto dal settore auto, in espansione un po' in tutti i
mercati e particolarmente in quello europeo.
L'azienda era diventata quindi particolarmente appetibile e, infatti, nel mese di gennaio la VM fu
acquistata dalla Detroit Diesel Corporation, un gruppo americano impegnato nel settore del diesel,
che si collocava ai primi posti nel mercato americano.
Anche in questa sua nuova collocazione, l'azienda contibuò nella sua politica produttiva,
instaurando un importante rapporto di fornitura con la Chrysler della quale tuttora motorizza la
versione diesel di Voyager e Cherokee, che sono due veicoli guida del settore.
22
2000
Nel 2000 VM Motori, insieme a Detroit Diesel Corporation, è entrata a far parte del gruppo Daimler
Chrysler. Nel 2003 è stato definito il pacchetto azionario della Società che risulta così ripartito: 51%
Gruppo Penske, 49% Gruppo Daimler Chrysler.
2007
Nel 2007 il gruppo Daimler Chrysler decide di cedere la propria quota azionaria e al suo posto
subentra un altro grande gruppo automobilistico mondiale, General Motors. Il nuovo assetto
societario prevede quindi il 50% delle azioni di proprietà in mano a General Motors e l’altro 50% in
mano al gruppo Penske.
2008
Nel 2008 il gruppo GAZ, uno dei maggiori costruttori d'auto e di veicoli commerciali russo, e
General Motors raggiungono un accordo di Joint Venture per il possesso di VM Motori, attraverso
il quale GAZ acquista il 50 % delle azioni precedentemente in mano al gruppo Penske.
1.1.2 La produzione attuale
[39]
Ad oggi il prodotto VM si distingue in due categorie fondamentali: il motore diesel destinato al
settore automotive e quello destinato al settore industriale. Quest’ultimo si divide ulteriormente in
tre categorie: uso agricolo, industriale e marino.
1.1.2.1 Settore automotive
[39]
Il mercato del diesel per impiego automobilistico sta attraversando un periodo di crescita mai visto,
sino ad ora. La sua penetrazione sta raggiungendo livelli record in tutta Europa grazie alla scelta dei
consumatori di optare per la nuova generazione di motori diesel, al posto del tradizionale motore a
benzina.
Lo sviluppo recente del motore diesel è stato notevole. Non si vedono piø i motori vecchio stile,
pesanti e lenti, di grossa cilindrata e ad aspirazione naturale. Oggi i consumatori richiedono
automobili di alte prestazioni anche con motorizzazioni diesel. La penetrazione del diesel ha
superato il 50% in Europa.
Qualche anno fa, VM ha iniziato a sviluppare una nuova serie di motori, con struttura modulare, che
è andata a sostituire i precedenti 2 valvole per cilindro ad iniezione indiretta. Il risultato è una
famiglia di motori a 4 valvole per cilindro, con la piø avanzata tecnologia common rail, che
rispettano pienamente le norme sulle emissioni.
La gamma di motori VM destinati al settore automotive è formata da motori sovralimentati, con
intercooler e sistema di iniezione a controllo elettronico sia con le tradizionali pompe rotative che
con tecnologia Common Rail.
L’attuale produzione prevede la realizzazione di numerose versioni differenti dei singoli propulsori,
che si differenziano in base alle richieste di potenza e ai componenti per soddisfare le diverse leggi
anti-inquinamento dei settori ai cui i veicoli appartengono e ai diversi stati in cui vengono
commercializzati. Vengono prodotti un 2500 cm
3
di cilindrata 16 valvole per cilindro e un 2800 cm
3
16 valvole per cilindro che motorizzano rispettivamente il Chrysler Voyager con cambio manuale e
con cambio automatico, altre versioni dei 2500 e 2800 cm
3
di cilindrata per i Jeep Wrangler,
Cherokee e Liberty ed un quinto modello, un 2800 cm
3
di cilindrata, destinato ad un veicolo
commerciale BMC, distribuito al mercato turco.
Lo stesso motore 2500 cm
3
viene anche fornito a LDV, un costruttore inglese di furgoncini, e
all’azienda LTI (London Taxi International), che realizza i celebri taxi della capitale inglese.
Inoltre l’azienda realizza servizi di progettazione per motori la cui produzione è realizzata in licenza
da altre case automobilistiche. Le Hyundai Matrix ed Accent montano l’RA 315, un propulsore a 3
cilindri, 1500 cm
3
di cilindrata, 12 valvole, sovralimentato e con iniezione Common Rail. Viene
prodotto nello stabilimento di Ulsan in Corea insieme all’RA 420, un quadricilindrico da 2000 cm
3
23
destinato alla berlina Elantra, al monovolume Trajet ed al SUV Santa Fe e sempre appartenente alla
gamma VM. Nell’ottobre del 2003 Daewoo ha firmato un accordo per la produzione di due modelli
di 1500 e 2000 cm
3
di cilindrata. Gli impianti necessari occupano un nuovo stabilimento di Gunsan
nella Corea del Sud che affianca gli altri stabilimenti Daewoo. Il motore 2 litri attualmente
equipaggia il SUV Chevrolet Captiva.
Di prossimo ingresso in produzione è l’RA 630 DOHC: un 6 cilindri a V di 60° da 3000 cm
3
, dotato
di iniezione diretta Common Rail, quattro valvole per cilindro e doppio albero a camme in testa.
Capace di erogare una potenza pari a 250 CV, si distingue per diverse soluzioni tecnologiche
all’avanguardia e la predisposizione al rispetto delle norme Euro IV. Questo propulsore andrà ad
equipaggiare i modelli alto di gamma del gruppo General Motors, tra cui la nuova Opel Insigna e le
Cadillac CTS.
Motori 2 valvole per cilindro
Fin dalla sua concezione nel 1977, questa famiglia di motori è stata progressivamente migliorata
(con l'utilizzo delle ultime tecnologie nei componenti e nei sistemi di iniezione ) e perfezionata
(migliorate le prestazioni, la qualità e l'affidabilità).
Nel 2001, con l'introduzione dei motori Common Rail 4 valvole/cilindro, la produzione di questa
famiglia di motori è gradualmente cessata e oggi non è quindi piø disponibile.
Motori 4 valvole per cilindro
VM ha tenuto il passo con l'evoluzione delle richieste del mercato (maggior potenza specifica,
migliori consumi, e ridotte emissioni di scarico) disegnando una serie di motori che utilizza le piø
recenti tecnologie. Questi motori, frutto di oltre 25 anni di presenza nel settore automobilistico e
della esperienza maturata sui motori 2 valvole/cilindro, hanno collocato VM alla pari dei piø
prestigiosi produttori di motori diesel.
• R 425 DOHC
E' il motore per uso automobilistico piø richiesto dai clienti VM. Le sue performance vanno
nella direzione dei motori a benzina, ma allo stesso tempo cercando di mantenere
l'efficienza dei motori diesel piø economici.
La coppia a bassi regimi è pari a 360 Nm a soli 2000 giri/min. Inoltre, il motore è
disponibile anche in versione VGT con potenza di 163 CV e coppia di 380 Nm.
Ulteriori caratteristiche sono il doppio albero a camme in testa comandato a cinghia, 4
valvole per cilindro, e un bilanciere per valvola. Gli iniettori sono verticali sull'asse del
cilindro. L'EGR è separata e raffreddata. Il basamento ha una pompa a vuoto incorporata e la
pompa dell'olio è di tipo ad ingranaggi. Le doppie masse contro-rotanti sono fissate alla
parte inferiore del basamento, nella coppa.
• R 428 DOHC
Per rispondere alle richieste per motori di superiore cilindrata adatti all'uso in autovetture
piø pesanti, VM Motori ha ulteriormente sviluppato l' R 425 DOHC.
L'incremento di cilindrata a 2800 cm
3
è stato consentito grazie alla filosofia progettuale
delle canne umide: in questo modo è stato sufficiente modificare canne, pistoni e alberi a
camme.
Il risultato è l' R 428 DOHC, un motore che offre le caratteristiche dell' R 425 DOHC, ma
con un'ulteriore aumento del 10% nella coppia a bassi regimi. Con 4 valvole per ognuno dei
4 cilindri, iniezione diretta common rail e doppie masse contro-rotanti mosse dall'albero
motore e posizionate nella coppa, questo motore è ideale per veicoli pesanti come Minivan e
SUV. Le altre caratteristiche tecniche sono analoghe a quelle dell' R 425 DOHC e includono
bilancieri sull'albero a camme e EGR raffreddata. L'opzione di un turbo VGT permette di
aumentare la potenza erogata a 177 CV.
• RA 315 SOHC
VM Motori ha previsto che la domanda per motori diesel sarebbe aumentata notevolmente,
24
anche per quel che riguarda le piccole cilindrate. Di conseguenza, ha sviluppato l' RA 315
SOHC, un motore compatto di cilindrata ridotta.
Dotato della piø avanzata tecnologia common rail e predisposto per rispettare le norme
EURO 4, questo motore sovralimentato produce 90 CV.
Le caratteristiche tecniche includono un albero a camme comandato a cinghia e 4 valvole
per cilindro. I bilancieri sull'albero azionano contemporaneamente 2 valvole e ogni cilindro
ha un iniettore centrale verticale.
Il motore è stato progettato in funzione dell'ottimizzazione della coppia e della guidabilità.
L' RA 315 SOHC ha ottimi livelli di guidabilità. L'elevata coppia a tutti i regimi esalta il
piacere di guida. La coppia erogata è pari a 180 Nm a soli 2000 giri/min. Aggiungendo un
turbo VGT, raggiunge i 200 Nm e la potenza i 105 CV.
Attualmente questo motore non fa parte della produzione VM,ma viene bensì prodotto in
Corea su licenza da Hyundai M.C. nelle versioni adatte alle rispettive applicazioni.
• RA 420 SOHC
Il nuovo motore 2.0L da 120 CV, sovralimentato e a iniezione diretta common rail, è una
soluzione efficace sia in termini di costi che per il rispetto per le norme EURO 4.
Il motore è dotato di un albero a camme comandato a cinghia e 4 valvole per cilindro. Ogni
cilindro ha un iniettore centrale verticale con angolo di valvola a zero gradi. I bilancieri
azionano contemporaneamente 2 valvole per volta, controllandone l'apertura. Il condotto
EGR attraversa la testa. Le doppie masse contro-rotanti comandate ad ingranaggi sono
posizionati nella coppa per maggior comfort. La pompa a vuoto è montata sull'alternatore e
per maggior efficienza, la pompa olio è di tipo a ingranaggi. La coppia massima di 260 Nm
consente una ripresa sportiva. L'ultima tecnologia common rail e multi valvola garantisce
consumi e guidabilità ottimi, insieme alla conformità alle attuali e future norme sulle
emissioni. L'eventuale aggiunta di un turbo VGT consente l'aumento di potenza a 140 CV e
la coppia a 280 Nm.
Attualmente questo motore non fa parte della produzione VM viene bensì prodotto su
licenza GM-Daewoo e Hyundai M.C. nelle versioni adatte alle rispettive applicazioni.
• RA 428 DOHC
Il motore RA 428 DOHC è l'evoluzione del motore a 4 cilindri 2.8 litri, con significativi
miglioramenti.
Esso è stato arricchito infatti delle piø avanzate tecnologie, per consentirgli di rispettare le
sempre piø stringenti normative sulle emissioni da un lato, e le richieste prestazionali del
mercato dall'altro.
In particolare il sistema di iniezione Common Rail, con pressione massima di 1600 bar, è
stato equipaggiato di iniettori piezo elettrici che permettono un accurato controllo dei
parametri di iniezione, consentendo fino a 5 iniezioni consecutive ravvicinate (230
microsecondi). Si ottiene così la massima efficienza di combustione, mantenendo al
contempo minime sia la rumorosità che le emissioni nocive.
• RA 630 DOHC
Si tratta di un motore 6 cilindri a V, 3 litri di cilindrata, particolarmente flessibile nella sua
progettazione e produzione e può essere personalizzato per rispondere alle richieste del
cliente, quali ad esempio un motore ad alta coppia ai bassi regimi per veicoli commerciali, o
un motore veloce e raffinato per automobili di lusso.
Le principali caratteristiche tecniche sono: un doppio albero a camme in testa comandato a
catena e 4 valvole per cilindro. Ogni valvola è comandata da un bilanciere. Gli iniettori sono
posti in asse col cilindro. L'EGR raffreddato è inserito nelle teste. La pompa a vuoto è parte
integrale di uno degli alberi a camme, ottenendo una maggiore efficienza. La pompa olio è
di tipo a ingranaggi.
Nella versione di 190 CV per impiego automobilistico, questo motore sovralimentato
presenta ottimi calori di potenza, coppia, comfort ed emissioni. Ulteriori aumenti nelle
25
performances sono possibili con l'adozione di un VGT, che incrementa la potenza a 250CV
e la coppia a 550 Nm. Inoltre, l'ingombro ridotto del motore assicura la possibilità di
installazione anche in spazi ristretti.
1.1.2.2 Settore industriale e marino
[39]
Grazie all’esperienza del settore automobilistico la VM Motori dispone delle piø avanzate
tecnologie, dei sistemi d'iniezione, dei turbocompressori e dei materiali e produce oggi motori ad
iniezione diretta ed indiretta anche per il settore industriale, che presentano miglioramenti
consistenti nelle prestazioni, abbattimento dei livelli di emissioni nocive e affidabilità e durata
anche nelle condizioni piø gravose.
Una delle principali caratteristiche del motore industriale è l'elevata coppia a basso numero di giri
ed il contemporaneo elevato incremento di coppia fra i giri di potenza massima ed i giri di coppia
massima.
Il settore industriale comprende motori per uso heavy duty, agricolo (trattori) , industriale (pompe di
irrigazione, fire pump, carrelli elevatori, betoniere, ecc.), e marino. All’interno di queste categorie si
possono individuare 7 famiglie così suddivise: SUN, HR3, D700 E3 e R750 per i motori ad uso
industriale ed agricolo, HR-M, MD700 e MR700 per i motori marini. Ciascuna è caratterizzata da
concezioni costruttive e destinazioni d’uso differenti, ma sono tutte contraddistinte dalla
caratteristica della modularità: ogni famiglia è formata da piø modelli che possono essere
ampiamente personalizzati, in funzione delle particolari esigenze di ogni cliente e di ogni singola
applicazione, che differiscono per specifiche esigenze legate alla configurazione del motore, alla
potenza, alle dimensioni, al tipo di raffreddamento ed alla disposizione degli accessori, quali, ad
esempio, prese di forza, pulegge supplementari, impianti elettrici speciali, ecc. Peculiarità
dell’azienda è quella di offrire un motore pronto all’uso o alla installazione: ciò significa, quindi,
proporre un numero molto elevato di possibilità di personalizzazione, al fine di riuscire a soddisfare
il maggior numero di richieste.
Motori per uso industriale ed agricolo
• SUN
La serie SUN (Serie Unificata Nuova) trova applicazione principalmente nelle macchine da
cantiere ed agricole, nei gruppi elettrogeni e nelle motopompe. Vengono apprezzati in
particolar modo per la robustezza, affidabilità, semplicità di installazione e manutenzione,
tanto da farne motori adatti ad impieghi gravosi anche sotto il profilo ambientale. Possono
essere a 2, 3, 4 o 6 cilindri raffreddati ad aria, con iniezione diretta e con aspirazione
naturale, sovralimentata o sovralimentata con interrefrigerazione, mediante scambiatore
aria-aria. Di costruzione modulare con un alta percentuale di componenti in comune, si
distinguono inoltre per la loro compattezza e disponibilità di accessori e prese di forza.
Concepita sul finire degli anni ’60, rappresenta forse la serie piø collaudata di quelle
attualmente prodotte.
• HR3
La serie HR3 si presenta con motori a 4 o 6 cilindri, raffreddati ad acqua, iniezione indiretta
con pompa rotativa meccanica e punterie idrauliche. Di costruzione modulare sono semplici,
poco costosi ed hanno in comune con gli altri motori della serie HR industriale ed
automotive un alto numero dei componenti, garantendo così una facile e quindi economica
gestione del magazzino ricambi. Trovano applicazione, per esempio, nelle macchine
aeroportuali e nelle macchine operatrici destinate alla manutenzione delle aree urbane e
verdi. Si distinguono per la loro silenziosità e per il basso livello di emissioni di gas di
scarico compatibilmente alla normativa europea 1999/96/CC (limiti Euro III), e 1997/68EC
(Fase II).
• D700-750 E2
Costruiti anch’essi secondo il concetto della modularità, condividono un’altissima
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percentuale dei componenti con le altre serie di motori industriali e marini, con i vantaggi
già citati per i motori HR quali la semplice ed economica gestione del magazzino ricambi.
Sono a 3, 4 o 6 cilindri raffreddati ad acqua, con iniezione diretta, ad aspirazione naturale o
sovralimentata. La cilindrata unitaria, rispettivamente di soli 700 e 750 cm
3
per cilindro,
consente di ottenere motori molto compatti e di ridurre rumorosità e vibrazioni. Rispettano
la normativa Europea 97/68/EC e Americana EPA (nella fase III di entrambe le norme) per
il controllo dei gas di scarico.
Grazie ai bassi consumi specifici di combustibile ed all’elevata coppia motrice ai bassi
regimi di rotazione, i motori di questa serie risultano ideali per l’impiego nelle macchine
agricole e da cantiere, nonchØ nei veicoli destinati ad impieghi gravosi e speciali.
Disponibili anche in versione per gruppi elettrogeni, motopompe e gruppi antincendio.
Questa serie di motori è stata interamente riprogettata per soddisfare le omologazioni
CE97/68 e EPA Fase 2. In modo particolare nei motori a 4 cilindri la manutenzione è stata
semplificata; infatti è concentrata tutta in un solo lato del motore, con evidenti vantaggi per
l'ingombro. Grazie all'elevata tecnologia costruttiva di una camera di combustione ad alta
turbolenza i motori superano agevolmente l'esame antinquinamento risultando in linea sia
con le norme americane EPA e CARB che con la normativa europea CE, senza mettere in
discussione l'affidabilità meccanica e la facilità di gestione.
• D700 E3
Questa serie di motori è in grado di soddisfare le certificazioni antinquinamento 2004/26/EU
Fase 3A e le EPA Tier III.
• R750
Grazie all'esperienza maturata nel settore dei motori automotive riguardo al controllo delle
emissioni, VM Motori ha sviluppato una nuova gamma di motori industriali common rail
con emissioni EURO 4 Heavy Duty per impiego su macchine mobili stradali come autocarri
4x4, veicoli multifunzionali, spazzatrici stradali etc, grazie all'utilizzo del ricircolo dei gas di
scarico (EGR) e di un filtro antiparticolato (DPF) ma senza l'utilizzo di urea, e con emissioni
Stage 3A per macchine mobili non stradali senza l'ausilio del filtro antiparticolato (DPF). I
motori EURO 4 sono già predisposti per il raggiungimento dei limiti EURO 5. I motori
offrono grande affidabilità e durata con un funzionamento silenzioso e regolare,
beneficiando delle caratteristiche già note della serie D750 tra le quali una presa di forza
anteriore laterale da 32 kW e a richiesta le masse controrotanti.
Motori marini
• HR-M
Questo modello ad iniezione indiretta presenta quattro versioni. Due di queste, sfruttando
l’ottimo rapporto peso/potenza e l’alto numero di giri, sono motori destinati ad imbarcazioni
da diporto e ad alta velocità. Gli altri due puntano maggiormente all’utilizzo su barche da
pesca professionale oltre che da diporto. Conservano le caratteristiche di base dei motori
industriali e sono raffreddati con uno scambiatore a doppio circuito d’acqua dolce e di mare.
• MD700
La famiglia MD700 presenta motori con raffreddamento ad acqua da 4 e 6 cilindri che
offrono un range di potenze variabili tra 165 e 300 CV capace di soddisfare, grazie anche
all’alta flessibilità d’impiego, ogni tipo di richiesta. Si caratterizza per l’iniezione diretta ed
il controllo elettronico, assicurando così notevoli vantaggi in termini di prestazioni,
consumi, produzione di calore ed emissioni. Vantano, infatti, l’omologazione secondo le
norme sulle emissioni BODENSEE stage 2.
• MR700
La famiglia MR700 presenta motori con raffreddamento ad acqua da 4 e 6 cilindri che
offrono un range di potenze variabili tra 230 e 350 CV, dotati di tecnologia Common Rail e
capaci di soddisfare, grazie anche all’alta flessibilità d’impiego, ogni tipo di richiesta. Si
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caratterizza per l’iniezione diretta ed il controllo elettronico, assicurando così notevoli
vantaggi in termini di prestazioni, consumi, produzione di calore ed emissioni. Vantano,
infatti, l’omologazione secondo le norme Tiev II, EPA/ECE in vigore dal 01/2007.
Gruppi funzionali
Nel settore industriale la volontà di fornire un motore “su misura” ad ogni cliente, ottenibile
combinando tra loro modelli, opzioni e particolari specifici, ha fatto sì che nel tempo il numero
complessivo di prodotti offerti, pur riconducibili a tre famiglie, diventasse elevato e di difficile
gestione, sia dal punto di vista commerciale che da quello produttivo.
La soluzione scelta è stata quella di strutturare il prodotto in gruppi funzionali, detti varianti,
ognuno dei quali disponibile in piø opzioni: ogni motore risulta quindi essere il risultato di una
combinazione di opzioni (una per ogni variante).
Un motore può essere visto come la “somma” tra un gruppo base, comune per ogni modello, ed un
insieme di gruppi che rappresentano le “funzioni” del motore, quali campana, collettori di scarico,
predisposizioni, impianti elettrici, filtri aria e gasolio e così via.
I nomi dei gruppi sono composti da tre lettere seguite da un numero progressivo; la prima parte
individua la variante, la seconda indica l’opzione. Ad esempio, la variante volano è identificata
dalla sigla VOL, le varie opzioni saranno VOL0001, VOL0002, ecc. La scelta di utilizzare una
struttura alfanumerica deriva dalla volontà di rendere piø immediata la lettura di una distinta
1.2 KISSsoft AG
[40]
KISSsoft AG ha sede a Hombrechtikon, una cittadina vicino a Zurigo, in Svizzera. E’ una società
che in questi anni, grazie alla sua competenza specifica, è cresciuta e si è imposta come una delle
piø vivaci e attive nel panorama europeo degli sviluppatori di software per il calcolo degli
ingranaggi. Sotto la direzione dell’ing. Ulrich Kissling, KISSsoft ha iniziato l’attività piø di venti
anni fa, con lo sviluppo di software dedicati al calcolo degli ingranaggi (chiamati anch’essi
KISSsoft); questo software è caratterizzato da un’impostazione rigorosa, la facilità di utilizzo e
un’ottima interfaccia grafica; negli anni si è via via perfezionato, adeguandosi allo sviluppo delle
normative ISO e AGMA e DIN e, soprattutto, si è esteso, passando da un software per il solo
calcolo degli ingranaggi ad un software che include tolleranze, misure di controllo, forma del dente
dopo lavorazione, ingranaggi in materia plastica, collettivi di carico, e poi cuscinetti, alberi, cinghie,
catene, molle, calettamenti, studio della dinamica della trasmissione e molte altre funzioni di
progettazione e verifica.
I programmi sono tre:
• KISSsoft, che riguarda ingranaggi di tutti i tipi, planetari, alberi anche secondo FKM,
calettamenti, cinghie, catene;
• KISSsys, che riguarda la modellazione e l’analisi delle trasmissioni complete,
interfacciandosi direttamente con KISSsoft, con import-export dei modelli 3D, e altre
funzioni correlate;
• KISSqs, che analizza la qualità delle ruote dentate secondo DIN, VDI, ISO, interfacciandosi
con gli strumenti di controllo Zeiss, Mitutoyo e Mahr.
1.2.1 Le tappe fondamentali della storia
[40]
Anni ’70
Già a partire dagli anni ’70 Ulrich Kissling aveva cominciato con calcoli di verifica degli alberi per
l’azienda di famiglia, che produceva dei riduttori di potenza media da installare su skilift e
seggiovie nelle Alpi francesi, svizzere e austriache. Sullo skilift la puleggia viene calettata
direttamente e messa sull’albero di uscita del riduttore e questo elemento di trasmissione è molto
critico, perchØ deve rispondere a esigenze di sicurezza estreme.
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In occasione della sua tesi di laurea scrisse un programma specifico per calcolare alberi e
ingranaggi in DOS.
Anni ‘80
Lo sviluppo di un programma di calcolo da parte della KISSsoft partì agli inizi degli anni ’80;
questo programma inizialmente era pensato per l’azienda di famiglia. Quando poi nel 1985
entrarono in uso i primi PC erano già disponibili molti programmi di calcolo, soprattutto sul
mercato tedesco, ma non erano completi; alcuni effettuavano il calcolo per gli ingranaggi, altri
quello dei cuscinetti o dell’albero. Inoltre, per un componente critico da installare sulla seggiovia,
ma così anche in altri settori, c’era la necessità di un metodo di calcolo riconosciuto, pubblicato e
accettato dalle autorità. Nacque quindi l’idea di sviluppare un software appropriato che si potesse
anche vendere. Nel 1986 venne venduta la prima licenza del software.
Anni ‘90
Dal 1990, con un’attenta politica commerciale, le vendite hanno segnato una crescita notevole. A
seguito del successo commerciale di questo prodotto, il 1° gennaio 1998 nasce KISSsoft, come
società autonoma e indipendente. Nello stesso periodo vi è stato il passaggio dalla versione Dos alla
versione Windows.
Dal 2000 ai giorni nostri
Nel 2000 nacque l’idea di sviluppare un software per modellare l’intero sistema di trasmissione. ¨
nato quindi il software di calcolo KISSsys.
Ancora oggi il software è in continuo sviluppo. Se un cliente propone un’idea nuova viene inserita
nel software e, in questo modo, il software è via via cresciuto. Così oggi il software non è una
semplice verifica di resistenza di ingranaggi, bensì un sistema di calcolo che permette di ottimizzare
rumore, vibrazioni, resistenza e altre caratteristiche.
Se l’utente non possiede già un po’ di esperienza negli ingranaggi, necessaria per il corretto utilizzo
del programma, deve ricorrere alla formazione e ai seminari, che vengono oggi organizzati dalla
stessa azienda. La stessa realizza anche opere di ingegnerizzazione, collaborazioni dirette e
consulenze con le aziende.
1.2.2 Mercato
[40]
Grazie a KISSsys si è potuto allargare il mercato alle grandi aziende; mentre KISSsoft si rivolge
alla piccola-media impresa che non può permettersi di sviluppare un proprio software, KISSsys si
rivolge anche alle aziende con oltre 1.000 addetti, anche quelle che dispongono al loro interno di
programmi per il calcolo dei ingranaggi e sistemi di trasmissione.
Oggi sono circa 1.200 le aziende che utilizzano Kissoft in tutto il mondo e le vendite aumentano
costantemente anno dopo anno del 20% circa. Il mercato principale è da sempre la Germania, dove
KISSsoft è leader, nonostante sia il Paese dove è stato sviluppato il piø alto numero di software per
ingranaggi. Negli ultimi anni è stata riscontrata una richiesta forte nei paesi asiatici, così nel 2007
l’Italia ha preso il secondo posto nella lista delle vendite per Paesi.
Ecco alcuni fra i casi di utilizzo degni di nota:
• Oggi fra i clienti vi sono aziende leader del settore degli ingranaggi e dei riduttori quali
come Flender, Hansen Transmission e Bonfiglioli Riduttori, sintomo della validità del
software.
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• KISSsys viene utilizzato dalla Ferrari Gestione Sportiva per sviluppare la catena di
trasmissione comprendente il cambio a sette marce, frizione, differenziale e semiassi delle
monoposto di Formula 1.
Schema della trasmissione di una vettura
di Formula 1 realizzato con KISSsys
• KISSsys viene utilizzato da Getrag per lo studio di cambi automatici per vetture di serie.
• KISSsoft è stato utilizzato dalla NASA per lo studio e il dimensionamento di ingranaggi
miniaturizzati della sonda Mars Pathfinder
• KISSsys viene utilizzato per l’analisi dei riduttori epicicloidali di grandi dimensioni presenti
all’interno dei generatori eolici.
• KISSsys viene utilizzato per lo studio di sistemi di trasmissione di trattori e macchine
movimento terra.
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• KISSsys viene utilizzato nell’industria aeronautica per lo studio di ingranaggi per motori
turboelica e per elicotteri
• KISSsys è stato utilizzato dall’azienda Liebherr per l’analisi della distribuzione di motori
diesel industriali, con la possibilità di collegamento con diverse applicazioni.
Vista 3D della distribuzione del motore Liebherr
Modello della distribuzione Schema cinematico
realizzato con KISSsys della distribuzione
31
CAPITOLO 2
TEORIA DEGLI INGRANAGGI
Gli ingranaggi hanno piø o meno la stessa età delle macchine inventate dall’uomo. Oltre 3000 anni
fa rudimentali ingranaggi venivano accoppiati per la trasmissione del moto rotatorio. Antiche
testimonianze risalenti al tempo dei Greci riportano che allora si utilizzavano ingranaggi sia in
legno che in metallo, e così anche i Romani li utilizzavano largamente nei mulini. Nel 13°secolo
assunsero grande importanza i sistemi di ingranaggi per orologi. Nella seconda metà del 19° secolo
l’uso su vasta scala di motori elettrici e a vapore impose l’esigenza di costruire validi ingranaggi
metallici.
Oltre il 90% della tecnologia degli ingranaggi attualmente sfruttata è stata sviluppata nel 20° secolo.
In particolare dal 1970 sono stati notevoli i progressi tecnici raggiunti dalle macchine per la
lavorazione degli ingranaggi e le relative considerazioni in merito a materiali, rapporti di
trasmissione e lubrificazione.
Grazie alle tecniche di automazione e di comando tramite elaboratore, le macchine a controllo
numerico computerizzato (CNC) ora utilizzate per la lavorazione degli ingranaggi consentono di
aumentare la produttività e ottenere una qualità piø omogenea.
Gli sviluppi raggiunti dalla tecnologia riguardo alla composizione dei materiali consentono di
migliorare la durata, il funzionamento a temperature elevate e riducono la tendenza all’usura. Allo
stesso modo ci sono stato grandi sviluppi per i relativi utensili di dentatura, rettifica e sagomatura.
Un tempo le prestazioni degli ingranaggi venivano verificate mediante l’analisi delle sollecitazioni
flessionali e della precisione di contatto tra i denti. Attualmente si basano sulla probabilità di rottura
nel periodo di vita desiderato quando l’organo è assoggettato ad uno spettro di carichi (diverse fasi
di carico in un determinato periodo di tempo, da carico zero a pieno carico, e ad un funzionamento a
due o tre livelli di temperatura).
La viscosità del lubrificante, il tenore di additivi e la struttura molecolare di base dell’olio
influiscono sulla resistenza all’usura dell’ingranaggio e sull’entità delle perdite per attrito. Si può
ora calcolare lo spessore del velo d’olio elasto-idrodinamico (EHD) che tende a separare due
ingranaggi a contatto.
Per la realizzazione di buoni ingranaggi devono essere analizzati tre diversi aspetti:
• Qualità geometrica: riguarda la precisione dei profili dei denti, l’allineamento dei denti
rispetto l’asse di rotazione, il passo di dentatura, la coassialità e il corretto spessore dei
denti;
• Qualità metallurgica: riguarda la parte metallica dei denti dell’ingranaggio. I denti,
sottoposti a carbocementazione, devono avere una corretta penetrazione e il giusto tipo di
tempra intorno al profilo. La durezza di tempra deve corrispondere a quella specifica per la
superficie di sfregamento: eventuali variazioni dovranno essere tali da consentire efficaci
processi di carburazione, nitrurazione o tempra per induzione. Ai fornitori viene richiesto di
controllare la qualità del loro materiale, che può essere poi verificata in azienda nei
laboratori metallurgici, che prendono in considerazione fattori quali durezza, penetrazione di
tempra, microstruttura, presenza di incrinature, inclusioni, vuoti e fenomeni di corrosione;
• Corretta progettazione: le dimensioni e le caratteristiche degli ingranaggi devono essere
tali da garantire prestazioni e durata di servizio che soddisfino le esigenze del cliente;
• Qualità di produzione: è un processo che si può svolgere in due fasi. Innanzitutto le linee
di produzione automatizzate che tagliano o rettificano gli ingranaggi possono essere
equipaggiate per misurare tutte le dimensioni, ad esempio il profilo ad evolvente,
l’allineamento dei denti rispetto all’asse (angolo d’elica) e il passo di dentatura. Oltre al
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
