|
Introduzione.
In questo articolo viene presentato uno studio degli effetti prodotti
dal tiro catena sull'assetto del motociclo,in tre condizioni di marcia:
-moto
a velocità costante con improvviso annullamento del tiro catena (decelerazione
senza utilizzo dei freni)
-moto accelerato con impennamento del
veicolo
-moto del motociclo con perdita e riacquisto improvviso di aderenza
della ruota posteriore, durante la fase di spinta.
Vengono confrontati tre
sistemi innovativi (brevettati) di trasmissione del moto dal motore alla ruota
posteriore con il sistema tradizionale (pignone-corona).
Richiamo sulle principali forze agenti sul
sistema ruota posteriore-forcellone oscillante.
Come si può vedere in figura, le forze principali agenti sul sistema
ruota-forcellone, in condizioni stazionarie (velocità costante),
sono:
La risultante delle forze di spinta e del trasferimento di
carico é inclinata rispetto all'orizzontale di un angolo t detto angolo del trasferimento di
carico . Si definisce invece angolo del tiro catena l'angolo tra la retta
passante per il punto di contatto della ruota posteriore e il punto A (
intersezione della direzione del forcellone con la direzione della catena) e il
piano stradale orizzontale.
Il rapporto tra la tangenti di questi due angoli
prende il nome di rapporto del tiro catena e si indica con la lettera
R.
L'assetto al variare del rapporto del tiro catena.
L'assetto del motociclo, in condizioni di moto stazionario,
viene influenzato dal valore del rapporto del tiro catena.
Consideriamo il
motociclo che viaggia a velocità costante; si possono presentano tre
casi:
1.Se R=1 l'assetto rimane pressoché invariato, non essendoci momenti agenti sul forcellone.
2.Se R>1 la sospensione posteriore tende a comprimersi, con conseguente abbassamento del retrotreno del
veicolo;
3.Se R<1 la sospensione posteriore tende ad estendersi, con conseguente sollevamento del retrotreno del
veicolo.
Descrizione delle soluzioni meccaniche alternative al sistema tradizionale
Sono stati proposti tre sistemi, alternativi al sistema
tradizionale, di trasmissione del moto dal pignone alla corona. Due sistemi sono
stati proposti da C. Riba Romeva, F. Ferrando Piera, J.L. Belil Creixell e sono
descritti nell'articolo "Effects of sudden slippage
of the driving wheel over a swinging arm in high powered motorcycles. Mechanical
solutions to avoid these effects".
Il terzo
sistema è noto con il nome Sistema A.T.K.
(Anti-Tension Kettensystem).
La definizione di
questi sistemi è originata dalle seguenti considerazioni (valide solo in
condizioni di moto stazionario).
Allo scopo di diminuire le variazioni di
assetto generate dal tiro catena il sistema dovrebbe soddisfare le seguenti
condizioni:
La soluzione teorica ottimale è visibile in figura.
Sistema Bilever :
è
un parallelogramma articolato formato dal forcellone e da un braccio di ritorno
parallelo, che guida il supporto della trasmissione secondaria secondo un
movimento circolare. Questo permette di avere la trasmissione primaria tra
telaio e supporto con la catena sempre parallela al forcellone, per ogni
posizione della sospensione. Il perno del forcellone inoltre è montato in modo
da rendere il forcellone stesso parallelo alla direzione del trasferimento di
carico. E' un sistema che soddisfa esattamente le condizioni necessarie per
evitare reazioni anomale nella prova di slittamento improvviso, ma è complesso
da costruire e implica masse non sospese più grandi.
Sistema Tracklever :
c'è una nuova corona coassiale con il
perno del forcellone, della stessa dimensione della corona originaria. La catena
è guidata, nel tratto inferiore, da un pignone libero che costringe la catena a
rimanere sempre parallela al forcellone.
Il perno del forcellone è sempre montato in modo da rendere il forcellone parallelo alla direzione del trasferimento di carico. E' un sistema più semplice da costruire rispetto al precedente, ma presenta il leggero svantaggio che soddisfa le condizioni necessarie per evitare fenomeni sgraditi solo approssimativamente per quanto riguarda il tratto inferiore della catena.
Sistema A.T.K. (Anti-Tension
Kettensystem):
quest'ultimo schema consta di
un forcellone di diverso disegno, al quale sono applicati due pignoni secondari
che hanno lo scopo di mantenere la catena parallela al forcellone stesso. I
pignoni secondari sono posizionati in modo tale che la retta d'azione della
forza reattiva che il pignone secondario stesso esercita sul forcellone passi
per il perno del forcellone, in modo da non esercitare alcun momento
aggiuntivo.
Il perno della ruota posteriore, il perno del forcellone e il
perno del pignone principale giacciono sulla stessa retta, inclinata dell'
angolo di trasferimento di carico.
Modellizzazione del motociclo e
simulazioni al calcolatore.
Il motociclo è stato
modellizzato a due dimensioni utilizzando il software di simulazione dinamica
"Working Model 2D " versione 4.0 di Knowledge Revolution , un software di tipo
"multi-body" che ha permesso di realizzare il modello di moto nel modo
seguente:
-telaio, di massa equivalente a moto+pilota;
-ruote
anteriore e posteriore con relative masse;
-forcellone posteriore, con
relativa massa;
-inerzia di tutte le masse rotanti situate tra motore e ruota
posteriore ridotta alla ruota posteriore;
-pignone, vincolato rigidamente al
telaio;
-mozzo della ruota anteriore, la cui massa comprende quella della
forcella e di una parte dell'impianto frenante;
-sospensioni: la sospensione
anteriore è stata realizzata tramite una molla e uno smorzatore situati tra
mozzo e telaio, la sospensione posteriore con un gruppo molla-smorzatore
rotazionale collocato sul perno del forcellone;
-motore: il motore è stato
supposto a coppia costante, dato che serve soltanto a far mantenere alla moto la
velocità di crociera;
-trasmissione: la potenza erogata dal motore arriva
alla ruota motrice per mezzo di un attuatore che trasmette la forza tiro della
catena dal pignone, vincolato al telaio, alla corona. La catena viene supposta
infinitamente rigida;
-forze in gioco: spinta e reazioni normali vengono
realizzate tramite le formule del Pacejka, che tengono conto dell'elasticità del
pneumatico e del tipo di fondo stradale. La resistenza aerodinamica è supposta
applicata nel baricentro del veicolo ed è calcolata in funzione del coefficiente
di drag e della sezione frontale dello stesso.
Sono stati realizzati sei modelli:
Improvvisa chiusura del gas e
conseguente decelerazione.
Il grafico seguente,
relativo alla prova di chiusura improvvisa dell'acceleratore, mostra l'andamento
della distanza relativa forcellone-telaio per i vari modelli.
Si può osservare che le sospensioni dotate dei sistemi tradizionali di trasmissione con R=0.7 e R=1.3 vengono rispettivamente mantenute estesa e compressa dalla forza tiro della catena a regime, mentre il sistema tradizionale con R=1 riesce a mantenere pressoché neutro l'assetto del veicolo, confermando quanto detto precedentemente in via teorica.
I modelli dotati dei sistemi Bilever e Tracklever mantengono la sospensione posteriore molto compressa a regime, rivelandosi equivalenti a un sistema con R>>1, mentre quello che più si avvicina al comportamento di un sistema con R=1 è il sistema ATK.
Improvvisa accelerazione con
impennamento del motociclo.
La tendenza dei
sistemi Tracklever e Bilever a comprimere molto la sospensione posteriore
all'aumentare della forza tiro della catena può venire sfruttata favorevolmente
per ottenere una moto con una bassa tendenza all'impennamento, come si può
vedere dal grafico seguente. Il grafico mostra lo spostamento verticale assoluto
del manubrio dei vari modelli in una situazione di impennamento.
Nella seguente animazione si può vedere ancora meglio la più tempestiva ripresa di contatto pneumatico anteriore-terreno di una moto equipaggiata con un sistema Tracklever rispetto ad un sistema tradizionale.
A parità di spinta la moto bianca (Tracklever) impenna prima e si solleva meno della moto viola (tradizionale) . Alla fine della simulazione la ruota anteriore della moto bianca risulta in contatto con il terreno mentre la moto viola risulta ancora impennata.
Perdita improvvisa di aderenza durante la fase di spinta e improvvisa ripresa dell'aderenza.
Consideriamo un motociclo che percorre una strada a velocità costante; alla ruota posteriore è applicata una forza di spinta uguale e contraria alla risultante delle forze resistenti. Supponiamo che improvvisamente passi su un tratto di strada a basso coefficiente di aderenza. La figura seguente mostra l'accelerazione verticale relativa tra il forcellone e il telaio che si genera a seguito del passaggio su un tratto di strada con improvvisa diminuzione del coefficiente di aderenza.
Si possono distinguere cinque momenti caratteristici:
1. situazione di regime; il motociclo viaggia a velocità costante. La forza elastica e
la risultante delle forze di contatto tendono a ruotare nel verso
antiorario il forcellone (estensione rispetto al telaio) mentre la forza
tiro tende a ruotare nel verso orario il forcellone (compressione del
forcellone rispetto al telaio). I momenti generati sono in equilibrio.
2. improvviso slittamento della ruota
motrice: La perdita di aderenza annulla la
forza di spinta. Le forze rimanenti generano un momento che comprime
improvvisamente la ruota posteriore. Il sistema ruota-forcellone non é più in
equilibrio. La sospensione subisce una azione impulsiva di
compressione. Anche la parte posteriore del telaio subisce un impulso
verso il basso. 3. La ruota accelera e il trasferimento di carico si
annulla. La sospensione tende ad estendersi . Anche il telaio tende ad
alzarsi posteriormente, mentre l'avantreno si abbassa. La ruota accelera improvvisamente e la forza reattiva
che la ruota esercita sul forcellone, attraverso il perno-ruota, origina
un momento che ha come effetto l'estensione della sospensione posteriore e
di conseguenza il sollevamento della parte posteriore del
motociclo. 4. La ruota riprende improvvisamente aderenza. La
sospensione viene estesa improvvisamente. Il telaio è soggetto ad un
impulso verso l'alto. 6. Nasce un transitorio che genera una oscillazione di
beccheggio del telaio.
All'improvviso
slittamento della ruota motrice sono connessi due fenomeni di instabilità del motociclo.
Il primo, il 'pitching', si verifica in particolar modo mentre il motoveicolo sta accelerando ai limiti dell'aderenza. Considerando la forza tiro della catena costante durante l'accelerazione del veicolo, lo slittamento della ruota motrice può generare un fenomeno di oscillazioni del retrotreno; i valori della risultante della spinta e del trasferimento di carico a sua volta oscillano intorno al proprio valore di equilibrio. Questo fenomeno conduce ad una compressione ed estensione del forcellone che può rendere instabile il motociclo.
Le fasi principali del fenomeno sono le seguenti:
a) nell'istante del primo slittamento della ruota
posteriore, la ruota motrice accelera.
b) Il momento dato dal tiro catena,
maggiore di quello dato dalla risultante delle forze di contatto, tende ad
estendere la sospensione posteriore. Il carico verticale sulla ruota diminuisce
e quindi lo slittamento aumenta.
c) Raggiunta l'estensione massima l'azione
di richiamo della molla comprime la sospensione. La compressione della molla
comporta un aumento del carico verticale L'aumento del carico verticale tende a
rallentare la ruota motrice.
d) In questa fase il momento dato dalla
risultante delle forze di contatto supera quello dato dal tiro catena e la
sospensione posteriore si comprime.
e) Comprimendosi, la sospensione origina
un nuovo calo del carico verticale che porta a un nuovo slittamento, e così via.
Simile comportamento è prerogativa di un motociclo con basso rapporto
peso-potenza.
Più pericolosi sono gli effetti del secondo fenomeno noto
con il nome di 'high sider'.
Il fenomeno è connesso con l'improvvisa perdita di aderenza
della ruota motrice, che comporta, come già visto, una brusca estensione della
sospensione posteriore e la sensazione, da parte del pilota, ad essere sbalzato
di sella (effetto comunque parzialmente assorbito
dall'ammortizzatore).
Le fasi sono le seguenti:
a) la moto è in piega e in fase di spinta la ruota perde
aderenza principalmente nella direzione della stessa spinta.
b) La
diminuzione della risultante della spinta e del trasferimento di carico comporta
l'estensione della sospensione;
c) L'estensione causa una perdita di aderenza
laterale e un aumento del carico sulla ruota nel piano del motociclo che tende a
rallentare la ruota motrice;
d) La forza peso non più equilibrata dalla forza
centrifuga tende ad accentuare l'angolo di rollio del veicolo.
e) La ruota,
maggiormente caricata nel suo piano recupera aderenza bruscamente e la
sospensione tende a comprimersi. La moto tende a raddrizzarsi
improvvisamente.
Al momento del recupero improvviso dell'aderenza, la moto si
raddrizza e la sospensione posteriore si estende, sbalzando il pilota verso
l'esterno della curva.
Le simulazioni relative al superamento di un tratto di
strada scivoloso hanno dimostrato che i sistemi di trasmissione Bilever,
Tracklever e ATK (proposti per ridurre o annullare le sgradite reazioni tipiche
di un'improvvisa perdita di aderenza del motociclo) in regime transitorio si
comportano come i sistemi tradizionali e quindi non comportano evidenti
vantaggi.
Nella figura seguente sono mostrati gli andamenti della spinta, del
trasferimento di carico e delle accelerazioni nel caso di sistema tradizionale
con rapporto del tiro catena uguale a 1.
Da osservare che l'andamento della
spinta e del trasferimento di carico, che da essa dipende, in regime transitorio
non variano con la stessa legge. Questo sfasamento comporta a sua volta il fatto
che l'angolo del trasferimento di carico non rimane costante.
Nel caso di sistema Bilever si può osservare che gli andamenti delle accelerazioni sono simili.
Mantenere la catena parallela al forcellone non comporta
quindi un miglioramento tangibile per quanto riguarda le reazioni del forcellone
in fase di slittamento.
Inoltre se il forcellone è inclinato dell'angolo del
trasferimento di carico il comportamento peggiora rispetto al sistema
tradizionale.
Nei sistemi Tracklever e Bilever, la riduzione dei picchi delle
accelerazioni di compressione ed estensione rispettivamente in fase di
slittamento e recupero dell'aderenza è causata proprio dalla forte tendenza dei
sistemi citati a comprimere la sospensione posteriore, la cui molla esercita un
intenso momento elastico.
Le conclusioni che si possono trarre sono le
seguenti:
I sistemi Tracklever e Bilever con catena parallela al forcellone
non rendono la sospensione posteriore più "neutra" rispetto alle variazioni
della forza tiro della catena, ma hanno un comportamento equivalente a un
sistema tradizionale con R>>1.
La soluzione di montare il forcellone
inclinato di un angolo pari all'angolo del trasferimento di carico a regime non
dà dei risultati positivi. I sistemi Tracklever, Bilever e ATK presentano una
complessità costruttiva che ne compromette inevitabilmente l'affidabilità e
comporta un aumento del peso complessivo del veicolo.
Per migliorare il
comportamento dinamico del motociclo è consigliabile lo studio di un corretto
posizionamento del pignone rispetto al perno del forcellone e un corretto
dimensionamento del forcellone mantenendo un sistema di trasmissione
"tradizionale". Ad esempio, per ridurre la tendenza del motociclo ad impennare,
si può agire in modo da ottenere un rapporto del tiro catena
R>>1.