|
Ingegnere Meccanico |
La conoscenza del comportamento dei pneumatici gioca un
ruolo importante nello studio della dinamica dei veicoli.
Scopo di questo
lavoro Ë lo studio e la realizzazione di un nuovo apparecchio di misura delle
forze agenti su di un pneumatico motociclistico, al variare delle condizioni di
deriva, rollio e carico verticale agenti su di esso.
Il lavoro descrive
l'analisi delle alternative possibili, lo studio e la realizzazione della
macchina costruita presso il Laboratorio di Meccanica Applicata alle macchine
dell'Università degli studio di Padova.
Seguono l'esposizione dei dati
raccolti e le considerazioni sui risultati raggiunti, con la descrizione dei
modelli matematici usati per correggere i dati raccolti dagli errori dovuti alla
geometria della macchina.
Da diversi anni il laboratorio di Meccanica
Applicata alle macchine, diretto dal Prof. V. Cossalter si occupa dello studio
del comportamento dei motocicli, mediante lo sviluppo e l'applicazione di metodi
matematici che permettano di comprendere meglio la dinamica di funzionamento del
mezzo stesso, al fine di fornire al progettista quei dati oggettivi che possano
essere anteriori a quelli che saranno disponibili solo a costruzione del
motociclo avvenuta, durante le fasi di collaudo e di prova in pista.
La
quantità e la qualità dei risultati raggiunti dalle simulazioni, in particolare
nella valutazione del comportamento ottimale lungo una traiettoria, permettono
ormai di poter prevedere il comportamento di un motociclo, al variare di
molteplici caratteristiche, quali il peso e la sua distribuzione, le dimensioni
del mezzo e le caratteristiche dei pneumatici.
Proprio in quest'ultimo punto
purtroppo, l'assenza di bibliografia e di dati sul comportamento dei pneumatici
motociclistici, non divulgati dalle Case produttrici, ha costretto fino ad ora
gli sviluppatori e gli utilizzatori dei modelli matematici prodotti, ad
approssimare la condizione al contorno del contatto pneumatico-asfalto con
andamenti discosti da quelli reali.
Le differenze fondamentali che
differenziano i pneumatici motociclistici da quelli automobilistici
sono:
la larghezza dell'impronta di contatto, ridotta nei pneumatici
motociclistici;la possibilità per i pneumatici motociclistici di aver valori di
rollio molto elevati.
Questi due fattori, uniti all'innovativo metodo di studio introdotto nell'analisi della dinamica del motociclo, rendono inadatti gli attuali modelli matematici di pneumatici, soprattutto nella fase di determinazione dei coefficienti di rigidezza. Proprio per risolvere quest'ultimo punto Ë stato sviluppata e costruita la macchina per la caratterizzazione dei pneumatici denominata M.A.T.T. (Moving Arm Tire Tester), al fine di trovare un'alternativa più semplice ed economica al Delft Tire Test Trailer sviluppato dal DVR della Delft University
La necessità di realizzare una macchina per la determinazione delle caratteristiche dei pneumatici motociclistici nasce dalla constatazione che non esistono sul mercato alternative più semplici ed economiche al Tire Test Trailer operante presso il DVR della Delft University.
I requisiti cercati per la nuova macchina erano:
L'idea di partenza é stata quella di testare il pneumatico, bloccato in qualche modo, su di una superficie in movimento, quale un nastro, un rullo o un disco, sui quali venisse riprodurre le condizioni di marcia su strada.
Lo studio si é svolto in 2 fasi:
progettazione 3D assistita al calcolatore
Le alternative studiate sono state:
La configurazione a rullo
rotante
Tale configurazione Ë molto
diffusa presso le industrie produttrici di pneumatici; presenta però ingombri
notevoli, poiché il rapporto tra il raggio del rullo e quello del pneumatico da
testare, deve essere il più alto possibile.
Il rullo non può essere
asfaltato, se non con notevoli problemi tecnici, dovuti alla necessità di
asfaltare una superficie cilindrica rotante, ovvero con forze centrifughe agenti
tutt'altro che modeste.
La configurazione a braccio oscillante presenta
notevoli problemi di correzione dei risultati, a causa dello spostamento lungo
il toro della ruota del punto di contatto e quindi della direzione della
risultante delle forze rispetto al perno del braccio.
La configurazione a nastro
mobile
Tale configurazione presenta il
vantaggio rispetto a quella a rullo, garantire condizioni di test simili a
quelle su marcia piana e rettilinea.
Il calcolo dell'angolo di deriva
della ruota risulta di immediata lettura e pari all'angolo di spostamento del
braccio oscillante.
Risulta evidente l'impossibilità di utilizzare una
superficie asfaltata, data la flessibilità richiesta al nastro.
La configurazione a disco
rotante
La soluzione a disco rotante
risulta la più semplice da realizzare in quanto non richiede particolari
accorgimenti per garantire la rigidezza del sistema. Rispetto ai sistemi sopra
descritti risulta semplice una eventuale asfaltatura della superficie e
molteplici sono le possibilità di eseguire prove anche in condizioni di aderenza
ridotta come nei caso di asfalto bagnato.
La configurazione a disco
rotante presenta la necessità di correggere i dati a causa della presenza della
curvatura del disco; inoltre nella configurazione (a) la ruota si sposta lungo
un arco di cerchio, fattore che impedisce di misurare direttamente l'angolo di
deriva della ruota, introducendo la necessità di un modello matematico per
passare dagli spostamenti angolari del braccio al valore dell'angolo di deriva
effettivo della ruota.
La soluzione a disco rotante Ë dunque quella
prescelta per la realizzazione e viene qui di seguito denominata M.A.T.T.
(Moving Arm Tire Tester)
Data la necessità di testare pneumatici motociclistici, Ë
stato ideato un cinematismo che mantiene fisso il centro di istantanea rotazione
della ruota al variare dell'angolo di rollio. Il principio di funzionamento Ë
riportato in figura.
Per poter realizzare con precisione un cinematismo
che soddisfasse i requisiti sovraesposti, Ë stato utilizzato un programma di
modellazione tridimensionale, Solid Edge 3.5 di Intergraph, accoppiato ad un
programma di simulazione tridimensionale, Working Model 3D Vers. 2.0 di
Knowledge Revolution.
La macchina, per la natura stessa dello studio, è stata costruita cercando di limitare il più possibile le spese; la scelta e le dimensioni della componentistica si Ë quindi orientata in questo senso.
La macchina è costituita da sei parti essenziali:
Alcune immagini della macchina sono riportate di seguito
Un esempio dei risultati raggiunti Ë riportato nel diagramma
che segue: 
Dai dati raccolti si dimostra che la caratterizzazione
sperimentale del pneumatico Ë stata ottenuta, fornendo dei risultati concordanti
con i dati sperimentali forniti dalle ditte.
I problemi riguardanti gli
errori introdotti dalla geometria della meccanica sono stati affrontati e
risolti con l'utilizzo di modelli matematici, per quanto riguarda il calcolo
dell'angolo di deriva effettivo, e con una specifica procedura di misura, per
quanto riguarda la correzione degli errori dovuti alla traiettoria circolare
indotta dal disco.
Tali errori potranno venire ulteriormente ridotti
adottando un disco di dimensioni maggiori, mentre una maggior corrispondenza a
condizioni di uso reali potrà essere ottenuta asfaltando la superficie
stradale.
Inoltre, modificando il braccio porta-ruota potrà essere
montato un dispositivo per la frenatura della ruota.
Per quanto
riguarda la procedura sperimentale, essa potrà essere in futuro automatizzata,
adottando dei rilevatori di forza e spostamento accoppianti ad un sistema di
acquisizione dati.
Con mezzi limitati e spese contenute si Ë potuta
realizzare una macchina di misura sperimentale in grado di fornire anche
informazioni sul comportamento dinamico della ruota in prova.
Le
potenzialità di sviluppo sono quindi, indubbiamente grandi.