Working Model - Tiro catena

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Paolo Lista, Lista Studio srl®
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In questa pagina 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 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

3.Se R<1 la sospensione posteriore tende ad estendersi, con conseguente sollevamento del retrotreno del

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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