HSTWV I MATERIALI

Materiali compositi

Largamente usati per le auto da competizione e in campo aerospaziale i materiali compositi per le loro caratteristiche meccaniche unite alla leggerezza sono particolarmente adatti a garantire che una struttura di telaio necessariamente estesa non determini un veicolo pesante e funzionalmente lontano dalla maneggevolezza e prestazioni delle moto tradizioniali.

Inoltre la loro natura fibrosa concorre ad assorbire energia cinetica quando entrano a contatto con l’asfalto in caso di incidente.

I compositi sono leggeri e resistenti, ma non sono ancora sfruttati per la produzione in serie degli autoveicoli per gli elevati costi legati alla produzione. In questo senso però la tecnologia sta facendo passi in avanti: ad esempio l’azienda coreana Dong Sung CORP ha sviluppato la tecnologia CFRTP che, non prevedendo il lungo e dispendioso processo di reticolazione, assicura un metodo efficace per la realizzazione in larga scala di compositi termoplastici in fibra di carbonio con conseguente abbattimento dei costi.

Nell’ottica quindi che nel prossimo futuro la produzione in massa di autovetture con telaio in compositi a prezzi ragionevoli per le aziende sia possibile, per la moto della ROYAL RODS abbiamo ipotizzato tre diverse soluzioni da intendere in alternativa od anche in combinazione tra loro:

• telaio con struttura a zone differenziate in fibre di carbonio, realizzate con tecnologia wrapping su scheletro di alluminio (con un risultato tipo sandwich), combinate con kevlar e vetroresina epossidica;
• telaio in alluminio: l’alluminio è largamente impiegato in campo motociclistico

• telaio in kevlar e vetroresina epossidica stratificato a mano e resina applicata con il metodo ad infusione.

Il telaio del prototipo con finalità di maquette di stile e verifica funzionale e dimensionale sarà realizzato in vetroresina poliestere su scheletro in ferro.

Ora saranno illustrate le strategie che il team della “Royal Rods” intende adottare per la realizzazione della struttura vera e propria del telaio.

La tipologia di telaio scelto è quello a travatura reticolare generalmente costituita da un traliccio di tubi. La struttura a traliccio essendo molto leggera e resistente garantisce la massima resistenza alla deformazione sia di torsione che flessione .

Uno dei vantaggi che si ottengono da questo tipo di telaio è la possibilità di ottenere delle rigidezze molto elevate con il minimo peso , consentendo migliori prestazioni mentre il controllo della cinematica è come sempre lasciato alle sospensioni. Tutto questo comporta una maggiore prevedibilità del comportamento dinamico della moto.

La struttura a tubi è facilmente modellizzabile con elementi finiti e quindi un altro vantaggio è la possibilità di usare metodologie FEM che permettono di analizzare le distribuzioni delle sollecitazioni all’interno dei componenti senza realizzare il prototipo.

Ciò comporta la possibilità di poter fare dei test sulla rigidezza e ottenere il miglior set dei parametri di progettazione attraverso dei calcoli di ottimizzazione (presenti in tools appositi o già integrati nella maggior parte dei programmi CAD).

Per rendere più chiaro il risultato che si vuole ottenere in seguito sono illustrati i parametri scelti:

• Peso: parametro da minimizzare, è strettamente legato al materiale;
• Rigidezza verticale alla ruota: è un parametro molto importante in quanto permette di stimare la deformazione subita dal telaio quando si applica una forza verticale sul punto ruota e quindi indica la capacità o meno del telaio di reggere il peso del veicolo e del pilota;
• Rigidezza laterale alla ruota: diversi studi hanno dimostrato che non si deve massimizzare questo parametro che è strettamente legato ai modi di vibrare;
• Rigidezza torsionale effettiva alla ruota: indica la deformazione torsionale subita dal telaio a causa di una forza laterale;
• Rigidezza verticale al perno forcellone: riguarda esclusivamente la parte del telaio collegato al motore e indica lo spostamento verticale subito dal forcellone causato da una forza verticale applicata sullo stesso;
• ùRigidezza laterale al perno forcellone: come sopra ma nel caso di forza laterale applicato al forcellone;
• Altezza asse neutro del piano ruota: l’inclinazione dell’asse neutro e la sua distanza rispetto al motociclo permette di prevedere quale tipo di deformazione ( flessionale o torsionale) subirà il piano ruota. Se l’asse risulta molto verticale la ruota posteriore tenderà a flettere piuttosto che a subire torsione e se inoltre l’asse è piuttosto distante dalla moto essa traslerà lateralmente senza imbardare; al contrario un asse neutro orizzontale è indice di deformazione torsionale.
• Altezza asse di torsione: tanto più vicino si trova questo asse al punto di contatto tanto meno il veicolo subirà il momento torcente causato da una forza laterale ad esso applicato.

  I parametri più importanti sono Peso, Rigidezza verticale e Rigidezza effettiva che saranno quelli da usare nell’algoritmo di ottimizzazione; le posizioni degli assi neutri e di torsione verranno usati per studiare la deformazione del telaio mentre i parametri riguardanti il forcellone saranno usati per confrontare il telaio ottenuto con quelli di serie di cui si hanno i dati sperimentali.

  Come già accennato precedentemente l’utilizzo dell’analisi FEM in combinazione con un algoritmo di ottimizzazione permetterà di svolgere in breve tempo diverse prove (non una) volte alla scelta del set di parametri che consentirà di ottenere la maggior rigidezza possibile della struttura senza comprometterne il design.

  Una volta ottenuti i parametri, verrà valutata, sempre con un’analisi FEM in ambiente CAD 3D, la capacità del telaio di poter effettivamente reggere gli sforzi in ogni circostanza e tipologia d’incidente.

  A tal fine sono state definite 3 prove fondamentali in cui la moto dovrebbe essere sotto la massima sollecitazione:

  • valutazione di modalità e stress durante la fase di:urto frontale a 70 km orari
    urto laterale con diversi gradi d’impatto (45° – 15°)
  • valutazione di modalità e stress durante una caduta in curva ad alta velocità (ipotesi: 100 km/h in autostrada)
  • valutazione di modalità e stress in caso di ribaltamento