Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Pneumatico
Contatto Editoriale:
Paolo Lista,
Lista Studio srl®
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UNA MACCHINA PER LA DETERMINAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI RIGIDEZZA E SMORZAMENTO DI UN PNEUMATICO MOTOCICLISTICO
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Il team del Prof.
Cossalter all'Università di Padova ha costruito una macchina
per lo studio delle caratteristiche del pneumatico motociclistico
realizzando prima il prototipo virtuale con il software Working Model.
Ecco in questa pagina una sintesi dei risultati conseguiti, esposti
con maggiore dettaglio nel sito
Dinamica del motociclo. La riproduzione di queste pagine
senza il permesso scritto dell'autore è vietata.
- INDICE
- Sommario
- Alternative
- La macchina
- Risultati
- Conclusioni
La conoscenza del comportamento dei pneumatici gioca un ruolo importante nello studio della dinamica dei veicoli.
Scopo di questo lavoro è 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.
Si descrivono l'analisi delle alternative possibili, lo studio e la realizzazione della macchina costruita presso il Laboratorio di Meccanica Applicata alle macchine dell'Università degli studi 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. 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 anticipare 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 che di fatto si discostano da quellireali.
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 è stata 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 pił semplice ed economica al Delft Tire Test Trailer sviluppato dal DVR della Delft University
Il Delft Tire Test Trailer
La necessità di realizzare una macchina per la determinazione delle caratteristiche dei pneumatici motociclistici nasce dalla constatazione che non esistono sul mercato alternative pił semplici ed economiche al Tire Test Trailer operante presso il DVR della Delft University.
I requisiti cercati per la nuova macchina erano:
- semplicità ed economicità di costruzione ed esercizio
- piccole dimensioni
- possibilità di eseguire misure statiche e dinamiche.
L'idea di partenza è stata quella di testare il pneumatico, bloccato meccanicamente, su di una superficie in movimento, quale un nastro, un rullo o un disco, sui quali venissero riprodotte le condizioni di marcia su strada.
Lo studio si è svolto in 2 fasi:
analisi delle configurazioni
possibili sviluppo della configurazione scelta,
con: 
progettazione 3D assistita al
calcolatore analisi cinematica
con modello Working Model
3D Le alternative studiate sono state:
A rullo rotante
e braccio oscillante 
A nastro mobile
e braccio oscillante 
A disco rotante
e braccio oscillante La configurazione a rullo rotante
Tale configurazione è molto diffusa presso le industrie produttrici di pneumatici; presenta però ingombri notevoli, poichè 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 è 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, è stato ideato un cinematismo che mantiene fisso il centro di istantanea rotazione della ruota al variare dell'angolo di rollio. Il principio di funzionamento è riportato in figura.
Per poter realizzare con precisione un cinematismo che soddisfasse i requisiti sopraesposti, è stato utilizzato un programma di modellazione tridimensionale, Solid Edge di Unigraphics Solution, accoppiato ad un programma di simulazione tridimensionale, Working Model 3D di Knowledge Revolution.
Modello tridimensionale del prototipo virtuale realizzato con il Working Model 3D
La macchina, per la natura stessa dello studio, è stata costruita cercando di limitare il più possibile le spese; la scelta della componentistica e le dimensioni della macchina sono state quindi orientate in questo senso.
Il prototipo sviluppato è costituito da sei parti essenziali:
- la struttura portante
- il gruppo motore-trasmissione
- il disco simulante la superficie stradale
- il braccio porta-ruota snodato
- il giunto triassiale
- la scala graduata di misura
Alcune immagini della macchina sono riportate di seguito
Un esempio dei risultati raggiunti è riportato nel diagramma seguente:
Dai dati raccolti si dimostra che la caratterizzazione sperimentale del pneumatico è stata ottenuta fornendo dei risultati concordanti con i pochi 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 è 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.
