al119_sviluppo di un banco prova x analisi strutturale e fatica di telai motociclistici
TRANSCRIPT
407
Sviluppo di un banco prova per l’analisi strutturale ed a fatica di telai motociclistici
N. Petrone, M. Saraceni, M. Cecchetto, D. Pegoraro
Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Padova
Via Venezia 1, 35131 – Padova e-mail: [email protected]
Keywords: test bench, motorcycle frame, static test, fatigue test
Sommario Il lavoro presenta lo sviluppo di un banco prova flessibile orientato all’analisi strutturale ed a fatica di telai motociclistici attraverso l’applicazione di forze orizzontali al perno ruota anteriore e di forze verticali al perno ruota posteriore. Il banco è stato utilizzato sia su telai di motociclette sportive, sia su telai di scooter per valutare le curve di resistenza a fatica ad ampiezza costante delle giunzioni notevoli di telai anche molto diversi tra loro. I risultati delle prove preliminari hanno consentito la definizione di parametri adimensionali estendibili alla verifica a fatica anche di altre tipologie di motocicletta.
Abstract The paper presents the development of a flexible test bench for the structural and fatigue analysis of motorcycle frames, by means of horizontal and vertical forces respectively applied to the front and rear axles. Tests on frames from sport motorcycles and scooters were carried out to define the constant amplitude fatigue curves of main junctions of the frames. The results allowed to define some parameters that can be adopted for the fatigue assessment of different types of motorcycles.
1. INTRODUZIONE Il recente sviluppo di nuovi veicoli motociclistici e la riduzione dei tempi di sviluppo prodotto richiedono la conoscenza delle caratteristiche di rigidezza e resistenza dei telai [1] sia per la corretta definizione di modelli multibody dei veicoli [2], sia per la valutazione della durata a fatica dei telai soggetti alla missione prevista [2,3].
Allo stato attuale, solo banchi prova servo-idraulici per motociclette complete non vincolate, caricate al perno ruota, possono simulare il comportamento dinamico nel piano del veicolo in termini di accelerazioni rilevate su strada dei perni ruota o di punti particolari di un manichino strumentato, richiedendo un costo molto elevato ed una notevole complessità di gestione [4]. Tali sistemi hanno il vantaggio di consentire una simulazione dinamica del veicolo completo, evidenziando le eventuali criticità su tutti i componenti coinvolti dalla dinamica del veicolo; per contro, essi hanno lo svantaggio di non consentire una rapida ed economica valutazione dei principali componenti strutturali del veicolo quali il telaio ed il forcellone posteriore, essendo richiesta per ogni prova di durata del telaio la disponibilità di un veicolo completo ed opportunamente calibrato per l’applicazione di forze corrette, ed essendoci la reale possibilità di ottenere un cedimento indesiderato in altri componenti prima di quello del telaio o del forcellone in esame.
In realtà, numerose ditte del settore utilizzano banchi prova a rulli per la verifica di durata dei telai, secondo un approccio comparativo semplificato [2] che comunque non consente di ottenere curve di resistenza a fatica su vari livelli di carico essendo i carichi applicati di natura dinamica e determinati dalla mutevole interazione tra rulli, pneumatici, ammortizzatori, telai e sistemi di vincolo e zavorra.
Nel presente lavoro si è voluto sviluppare un banco prova per telai motociclistici basato su un sistema di attuatori di carico retroazionati e di strutture di vincolo a configurazione flessibile in grado di riprodurre sui componenti in prova le sollecitazioni significative registrate su strada e di fornire le curve di resistenza a fatica ad ampiezza costante dei telai. Tali curve sono necessarie per definire correttamente una prova di verifica a fatica ad ampiezza costante o l’eventuale equivalenza tra ore di prova su banco a rulli e km percorsi su strada [2,5–7].
2. OBIETTIVO Scopo del lavoro era il progetto e la messa a punto di un banco prova in grado di ricreare le tipologie di
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
408�
Figura�1: L’ azione�di�frenata�provoca�laflessione�della�zona�del�tubo�di�sterzo,�tendendo�achiudere�l’ interasse�del�veicolo.
FZ
FX
M-
FN
FP
LfZ
XP
NSolidale al veicolo
Solidalealla forcella
RN
FD
Lr
Z
X
Figura�2:�vista�laterale�dell’ insieme�del�forcellone,ammortizzatore,�motore�e�parte�del�telaio.
sollecitazione�strutturale�nei�punti�critici�di�telai�motociclistici�rilevate�durante�la�normale�percorrenza�stradale,�tramite� un� sistema� semplificato� di� vincoli� e� forze� di� configurazione� flessibile,� adattabile� a� motociclette� di�caratteristiche�anche�molto�diverse,�a�partire�dai�moderni�a�scooter�stradali�fino�alle�attuali�motociclette�sportive.�
Il� banco� consente� l’ esecuzione� di� prove� di� rigidezza� flessionale� con� carichi� alla� forcella� anteriore� e�posteriore,�prove�di�caratterizzazione�strutturale�su�telai�strumentati�e�prove�a�fatica�ad�ampiezza�costante�per�la�valutazione�delle�curve�di�resistenza�a�fatica�di�telai�e�forcelloni.�
3.� METODO�ADOTTATO�A�partire�dalle� rilevazioni�dei�carichi� in�esercizio�effettuate�su�strada�su�motociclette�sportive�[3]�e�su�scooter�stradali�[2,6],�si�è�eseguita�una�analisi�approfondita�dei�carichi�principali�che�sollecitano�il�telaio�allo�scopo�di�individuare�degli�schemi�di�tipo�“vincolo-carico”�semplificati�che�risultassero�significativi�di�volta�in�volta�per�la�geometria�e�le�caratteristiche�costruttive�della�motocicletta�in�esame.�La�differenza�sostanziale�tra�le�molteplici�configurazioni� dei� telai� motociclistici� richiede� che� il� sistema� di� vincolo� a� cui� affidare� la� reazione� alle� forze�applicate�ai�perni� ruota� sia� tale�da� riprodurre� il�più�possibile� il� comportamento� inerziale�del�veicolo� su�strada�senza�influenzare�il�comportamento�strutturale�locale�e�globale�del�telaio.�
Con�riferimento�a�due�configurazioni�di�telaio�completamente�differenti,�un�telaio�motociclistico�a�traliccio�con�carter�portante�ed�un�telaio�a�doppia�culla�per�scooter,�si�sono�introdotte�delle�ipotesi�relative�alle�reazioni�inerziali� presenti� su� strada� in� eventi� come� la� frenata� o� il� passaggio� su� ostacolo,� definendo� i� corrispondenti�sistemi�di�fissaggio�sul�banco�prova�[6,7]�dei�due�telai�molto�diversi�fra�loro.�
Si�è�realizzato�un�banco�con�attuatori�pneumatici�a�loop� chiuso� di� forza,� in� grado� di� applicare� forze�orizzontali�e�verticali�per�prove�statiche�a�rampa�su�telai�estensimetrati� o� prove� cicliche� di� fatica� ad� ampiezza�costante.�
Si� sono�definite� le�metodologie�di�monitoraggio�a�fatica�dei�telai�in�prova�e�si�sono�potute�ottenere�le�curve�di� resistenza� a� fatica� ad� ampiezza� costante� delle�giunzioni� notevoli� di� telai� anche� molto� diversi,�introducendo�dei�parametri�di�valutazione�comparativa�a�fatica�estendibili�anche�ad�altre�motociclette.�
4.� ANALISI�DEI�CARICHI�REALI�RILEVATI�SU�STRADA�L’ analisi�delle� registrazioni�effettuate�su�strada�con�una�motocicletta� sportiva,� già� presentata� in� [3],� ha�confermato�un�comportamento�particolare�della�struttura�a� traliccio� del� telaio� sportivo� esaminato:� in�particolare,�le� forze�che� sollecitano� in� flessione� la�zona�del� tubo�di�sterzo� del� telaio,� derivanti� da� brusche� frenate,� buche� e�saltellamenti� dell’ avantreno,� sono� quasi� del� tutto�scorrelate� dalle� sollecitazioni� presenti� nella� zona� di�attacco� dell’ ammortizzatore� posteriore,� viceversa�sollecitata� in� occasione� del� passaggio� della� ruota�posteriore�su�buche�o�cunette.��
Nel� caso� ad� esempio� di� una� violenta� frenata,�come�rappresentato�in�fig.�(1),�la�geometria�dei�tubi�che�convergono�al�tubo�di�sterzo�fa�si�che�la�componente�di�forza�FX,� tendente�a�chiudere� il� telaio� in�direzione�–X,�produca� al� tubo� sterzo� una� coppia� M� che� genera� in�un�piano� perpendicolare� all’ asse� sterzo� una� flessione� di�segno� opposto� nei� due� tubi� evidenziati.� L’ unico� effetto�sul� retrotreno� di� questo� evento� è� l’ alleggerimento� del�carico� FD� sull’ ammortizzatore� posteriore� e� sulla� zona�del� telaio� cui� l’ ammortizzatore� stesso� è� fissato.� Tale�giunzione�invece�viene�sollecitata�in�maniera�sincrona�al�passaggio�su�un�dosso�o�su�una�buca,�senza�produrre�una�rilevante� influenza� alla� zona� del� tubo� di� sterzo� a�meno�del� trasferimento� di� carico� legato� al� beccheggio� del�
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
409�
veicolo.�L’ analisi�delle�registrazioni�su�strada�su�scooter�stradale�125�cc�[5,6],�in�cui�si�erano�acquisite�le�forze�al�
perno� anteriore,� ha� fornito� informazioni� sulla� distribuzione�delle� forze� alla� ruota:� note� le� forze�FN�ed�FP�nel�sistema�di�riferimento�solidale�alla�forcella,�rispettivamente�normale�e�parallela�all’ asse�sterzo,�i�segnali�di�forza�sono� stati� trasformati� nelle� componenti� FX� ed� FZ� nel� sistema� di� riferimento� XYZ� solidale� al� veicolo,� avente�l’ asse� X� passante� per� i� due� perni� ruota:� questo� grazie� alla� valutazione� dell’ angolo� di� beccheggio� istantaneo�assunto� dal� veicolo� a� partire� dalla� conoscenza� della� lunghezza� istantanea� degli� steli� della� forcella� anteriore� e�posteriore,�rispettivamente�Lf��ed�Lr.�
Nei� grafici� delle� figg.� (3)� e� (4)� sono� riportati� gli� andamenti� nel� tempo�di�FN,�FP,�FX,�FZ,� e� del� canale�TDLM2�corrispondente�alla�tensione�di�flessione�sul�tubo�corrente�inferiore�(cfr.�fig.�8),�dovuta�al�momento�di�tipo�M�applicato�al�tubo�di�sterzo,�rispettivamente�durante�un�test�di�frenata�da�50�km/h�e�durante�il�passaggio�su�un�rallentatore�alla�velocità�di�20�km/h.�Si�osserva�come�la�forza�verticale�FZ�parta�da�un�valore�diverso�da�zero�dovuto,� a� velocità� costante,� al� carico� statico� che� grava� sull’ avantreno� e� al� trasferimento�di� carico�dovuto� alla�forza�di�resistenza�aerodinamica;�dall’ esame�di�fig.�(3),�risulta�evidente�la�correlazione�tra�la�forza�di�frenata�FX�e�la�sollecitazione�di�flessione�al�telaio�al�punto�TDLM2.�Dall’ esame�di�fig.�(4),�passaggio�con�solo�pilota�di�75�kg�su�di�un�rallentatore�stradale�standard,�alto�3�cm�e�lungo�60�centimetri,�si�nota�come�sia�FX�che�FZ�oscillino�in�modo�indipendente�per�poi�stabilizzarsi�attorno�al��valore��medio��del�regime��stazionario.�
In� figura� (5)� si�sono� tracciati� i�vettori� istantanei�della� forza�applicata�al�perno�anteriore,�di�componenti�FX�ed�FZ,�al�variare�della�velocità�di�passaggio�sul�rallentatore�standard:�si�nota�innanzitutto�la�complessità�del�fenomeno� registrato.� Nel� tracciamento� dei� vettori� forza� si� è� ipotizzato,� in� maniera� semplificativa,� che� la�posizione� del� perno� ruota� fosse� ad� una� distanza� costante� dal� profilo�del� dosso�durante� tutto� l’ evento�del� test,�equivalente� quindi� ad� assumere� che� la� ruota� non� si� stacchi� mai� dalla� superficie� stradale:� se� tale� ipotesi� è�accettabile�nel�test�alla�velocità�di�20�km/h,�fig.�(5a),�essa�è�del�tutto�convenzionale�nel�test�a�60�km/h,�fig.�(5b).���������������������������������������
Figura�3:� evoluzione�nel� tempo�dei� segnalidurante�una�frenata�dalla�velocità�di�50�km/h.
Figura� 4:� evoluzione� dei� segnali� durante� ilpassaggio� su� un� rallentatore� alla� velocità� di� 20km/h.
CARICHI�PERNO�RUOTA(sistema�di�riferimento�solidale�alla�forcella)
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
0 1 2 3 4 5 6
tempo�[s]
forz
a�[N
]
FN FP
CARICHI�PERNO�RUOTA(sistema�di�riferimento�solidale�al�veicolo)
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
0 1 2 3 4 5 6
tempo�[s]
forz
a�[N
]
FZ FX
FLESSIONEpunto�di�maggiore�criticità
-150-100-50
0
50100150
0 1 2 3 4 5 6
tempo�[s]
stre
ss�[M
Pa]
TDLM2
CARICHI�PERNO�RUOTA(sistema�di�riferimento�solidale�alla�forcella)
-500
0
500
1000
0.0 0.5 1.0 1.5
tempo�[s]
forz
a�[N
]
FN FP
CARICHI�PERNO�RUOTA(sistema�di�riferimento�solidale�al�veicolo)
-500
0
500
1000
1500
0.0 0.5 1.0 1.5
tempo�[s]
forz
a�[N
]
FZ FX
FLESSIONEpunto�di�maggiore�criticità
0
50
100
150
0.0 0.5 1.0 1.5tempo�[s]
stre
ss�[M
Pa]
FRENATA da 50 km/h OSTACOLO 20 km/h
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
410�
����
Ciò� è� da� ricondurre� sia� alla� deformazione� del� pneumatico,� sia� alla� fase� aerea� della� ruota� difficilmente�valutabile� senza� un� sistema� di� telecamere� ad� alta� velocità.� Comunque� si� possono� rilevare� i� picchi� di� forza�durante� la� prima� fase� di� salita� sul� rallentatore� e� le� conseguenti� oscillazioni� dei� vettori� sia� in� intensità� che� in�direzione.�Tali�oscillazioni�sono�riconducibili�alla�sovrapposizione�dei�modi�di�vibrare�verticale�e�di�beccheggio�delle� masse� sospese� dello� scooter,� con� i� modi� di� vibrare� propri� della� forcella,� sia� in� direzione� normale� che�parallela�all’ asse�di�sterzo.�
Data� la� bassa� correlazione� tra� le� sollecitazioni� derivanti� dai� carichi� al� perno� ruota� anteriore� e� quelle�presenti� al�perno�posteriore� [3],� si� è� ritenuto�possibile�effettuare� sui� telai�due� tipi�di�prove�disaccoppiate:�una�relativa� all’ avantreno,� orientata�alla�verifica�della�zona�del� tubo�di� sterzo,�ed�una� relativa�al� retrotreno,�per� la�verifica�del�forcellone�e�della�zona�del� telaio�a�cui�si�attacca�la�sospensione.�Queste�due�prove�possono�essere�condotte�in�maniera�separata�oppure,�eseguendo�una�opportuna�fasatura�dei�carichi,�anche�contemporaneamente�[7].�
5.� SCELTA�DI�PROGETTO�Sulla�base�di�requisiti�di�flessibilità,�semplicità�e�rapidità�di�allestimento,�si�è�deciso�di�sviluppare�un�banco�per�l’ applicazione�di�forze�in�grado�di� indurre�gli�stessi�livelli�di�sollecitazione�registrati�nei�punti�critici�del�telaio�durante�l’ esecuzione�di�eventi�quali�frenata,�impennata,�passaggio�su�buche�e�rallentatori.�Si�è�così�realizzato�un�sistema�di�prova�adatto�all’ analisi�di�vita�a�fatica�di�alcuni�nodi�principali�del�telaio.�
Il� banco� è� dotato� di� strutture� di� reazione� e� non� necessita� della� motocicletta� completa� di� tutte� le�sovrastrutture,�ma�ne�accoglie�solamente�alcune�parti:�il�telaio,�il�motore�(quando�sia�parte�strutturale�assieme�al�telaio),�le�sospensioni�anteriori�(con�possibilità�di�bloccaggio�dell’ affondamento),�il�forcellone�ed�i�perni�ruota.�
In�base�all’ analisi�dei�grafici�quali�quelli�presentati�nelle�figg.�(3)�e�(4),�si�è�scelto�di�applicare�al�perno�ruota�anteriore�una�unica�forza�FX�orizzontale� in�grado�di�generare�nei�punti�critici�del� telaio�le�deformazioni�locali�registrate�durante�le�prove�su�strada.�Sulla�base�di�precedenti�risultati�dell’ analisi�dati�su�strada�[3],�per�la�forza�FX�si�è�adottato�un�rapporto�di�ciclo�R=-1,�dove�R�è�dato�dal�rapporto�tra�la�forza�FX�minima�e�la�forza�massima�applicata�ad�ogni�ciclo�di�carico�(R=FXmin/FXmax).�In�maniera�analoga�è�stata�applicata�una�forza�RN�verticale�al�perno�ruota�posteriore,�in�questo�caso�ciclica�con�rapporto�di�ciclo�R=0.��
v�=�60�km/h
v�=�20�km/h
[1�m][500�N]
a)
b)
Figura� 5:� vettori� della� forza� risultante� misurata� al� perno� della� ruota�anteriore�durante�il�passaggio�su�un�rallentatore�stradale.�
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
411�
6.� DESCRIZIONE�DEL�BANCO�Nel�banco�prova�realizzato�si�possono�distinguere�due�sistemi�fondamentali:�il�sistema�meccanico�ed�il�sistema�di� controllo.� Il� primo�comprende� tutti� gli� elementi� funzionali� che� realizzano� i� carichi�e� le� reazioni�desiderate,�mentre� il� secondo� coordina� tutti� gli� attuatori� inviando� i� segnali� di� comando� e� ricevendo� le� informazioni�necessarie�a�completare�il�loop�di�controllo.�
6.1���Il�sistema�meccanico�Nelle�prove�su�telai�motociclistici�il�telaio�è�stato�vincolato�in�corrispondenza�dell’ asse�baricentrico�moto-pilota,�come�indicato�in�figg.�(6)�e�(7).�Il�vincolo�è�formato�da�quattro�bielle,�due�verticali�e�due�orizzontali,�lungo�le�quali�si�scaricano�le�forze�di�reazione�necessarie.�Le�bielle�verticali�sono�fissate�ad�un�portale�di�sostegno�mentre�quelle�orizzontali�ad�un�piedritto�posteriore.�Tutti� i�collegamenti�sono�ottenuti�mediante�teste�a�snodo�sferiche�
Figura�6:�Vista�laterale�della�configurazione�assunta�dal�banco�prova�su�telai�motociclistici.
+FX
RN
-FX
CG�(moto�+�pilota)Z
X
Figura�7:�vista�laterale�del�banco�con�telaio�motociclistico�a�traliccio.�
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
412�
riportate� alle� estremità� delle� bielle.� I� carichi� di� prova� consistono� in� una� forza� orizzontale� FX� applicata� in�corrispondenza�del�perno�ruota�anteriore,�ed�una�forza�verticale�RN�applicata�al�perno�ruota�posteriore.�Il�perno�ruota� anteriore� scorre� in� una� slitta� di� carico� dotata� di� cuscinetti� a� rotolamento� che� ne� permette� la� traslazione�lungo�X�impedendo�gli�spostamenti�lungo�Y�e�Z.�Il�carico�FX�è�applicato�da�un�cilindro�pneumatico�(diametro�100� mm,� corsa� 125� mm,� carico� massimo� 6.3� kN)� alla� slitta� di� carico� ed� è� misurato� da� una� cella� di� carico�interposta.�Il�cilindro�e�la�slitta�sono�supportati�da�altrettanti�piedritti�fissati�ad�un�basamento�in�ghisa�appoggiato�al�suolo.��
Nelle�prove�su�telai�di�scooter�il�telaio�è�stato�vincolato�in�corrispondenza�dell’ asse�di�collegamento�con�la�biella�di�supporto�del�gruppo�motore�posteriore,�come�schematizzato�in�fig.�8.�Anche�in�questo�caso�il�vincolo�è�costituito�da�quattro�aste,�due�verticali�e�due�orizzontali,�con�quelle�verticali�fissate�al�basamento.�
Nelle� prove� su� telai� motociclistici,� il� carico� RN� è� stato� applicato� con� un� secondo� cilindro� pneumatico�(diametro� 125� mm,� corsa� 100� mm,� carico� massimo� 9.8� kN)� con� interposta� una� cella� di� carico,� fissato� al�basamento� come� riportato� in� figg.� (6)� e� (7).� Le� celle� di� carico� sono� state� realizzate� in� laboratorio� e� sono�dimensionate� a� vita� infinita� per� un� carico� di� 6� kN.� L’ attuazione� del� moto� dei� cilindri� è� comandata� da� una�elettrovalvola� 5/2� bistabile.� L’ alimentazione� è� fornita� da� una� rete� che� fornisce� una� pressione� nominale� di�funzionamento� pari� a� 8� bar.� L’ impianto� è� dotato� di� un� filtro� regolatore� di� pressione,� elettrovalvola� on/off� ,� e�regolatore�di� flusso.�Per� eseguire� le� prove� statiche�di� � rigidezza� e� di� taratura�dei� canali� di�misura�applicati� ai�telai,� viene� impiegato,� per� il� controllo� degli� attuatori,� un� distributore� manuale� a� manopola� che� permette� di�stabilizzare� la�pressione�nei�cilindri� in�modo�da�ottenere� la� forza�di�carico�desiderata:� il�valore�di� forza�viene�letto�direttamente�sul�monitor�del�PC�tramite�le�celle�di�carico.��
6.2���Il�sistema�di�controllo�Il�funzionamento�del�banco�è�gestito�da�un�PC�attraverso�uno�specifico�programma�sviluppato�in�LabVIEW-NI.�Il�programma�permette�di�impostare�le�soglie�dei�carichi�di�prova�da�applicare,�il�numero�dei�cicli�da�eseguire,�la�visualizzazione� in� tempo� reale� dell’ andamento� del� carico� e� dei� valori� di� picco� raggiunti.� Il� confronto� tra� il�segnale� delle� celle� di� carico� e� le� soglie� viene� eseguito� da� un� circuito� elettronico,� prodotto� internamente,� che�fornisce�il�segnale�di�potenza�per�la�commutazione�delle�elettrovalvole�e�alimenta�i�sistemi�di�sicurezza�adottati.�Le� prove� statiche� sono� controllate� e� registrate� da� un’ altra� versione� del� programma� di� gestione� del� banco�realizzata�appositamente.�
Per� l’ acquisizione� dei� dati� durante� le� prove� a� fatica� si� sono�usati� sia� lo� stesso� sistema�portatile�SoMat�2300� adottato� per� le� acquisizioni� su� strada� (16� canali� estensimetrici,� 32� Mb� RAM,� 12� bit),� sia� un� sistema� di�acquisizione�SCXI�NI�sviluppato�in�laboratorio�(16�canali�estensimetrici,�memoria�su�PC,�16�bit).�
7.� TIPOLOGIE�DI�PROVA�ESEGUIBILI�Tramite� il� banco� sviluppato� si� possono� eseguire� principalmente� tre� tipologie� di� prova:� (a)� prove� statiche� di�rigidezza�nel�piano�di�simmetria�del�sistema�forcella-telaio-forcellone;�(b)�prove�di�fatica�ad�ampiezza�costante�sull’ avantreno�(forcella-parte�anteriore�del�telaio);�(c)�prove�di�fatica�ad�ampiezza�costante�sul�retrotreno�(parte�posteriore�del�telaio-forcellone).���
Forcella�rinforzata
Piastra
TTLP3�/�TTRP3
TDRP3
Z
X
Figura�8:�banco�con�telaio�di�scooter�Velvet.
Tubo�inferiore Tubo�superiore
Cella�di�carico
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
413�
L’ esecuzione�delle�prove�di�rigidezza�del�tipo�(a)�presuppone�l’ applicazione�di�sensori�di�spostamento�al�perno� di� carico� ed� in� altre� posizioni� notevoli� di� riferimento;� inoltre,� durante� le� prove� statiche� si� possono�acquisire�le�deformazioni�presenti�ai�diversi�canali�estensimetrici�di�misura�applicati�al�telaio�con�valori�noti�di�forza,�ottenendo�le�costanti�di�taratura�dei�diversi�canali�alle�forzanti�note.�
Le�prove�a�fatica�di� tipo�(b)�e�(c)�presuppongono�la�disponibilità�di�una�serie�di� telai�o�forcelloni�dello�stesso� lotto� ed� il� monitoraggio� delle� diverse� prove� da� effettuare� ad� almeno� tre� livelli� di� carico,� in� modo� da�ottenere� la� pendenza� e� la� posizione� della� curva� di� resistenza� a� fatica,� nonché� una� stima� della� banda� di�dispersione�associata.�
Nelle� prove� a� fatica,� particolare� cura� richiede� la� definizione� del� criterio� di� rottura.� La� geometria� a�connessione�multipla�dei�telai,�comporta�infatti�una�potenziale�ridistribuzione�delle�tensioni�tra�tubi�connessi�in�modo� complesso,� per� cui� la� comparsa� di� una� cricca� in� corrispondenza� di� una� giunzione� particolarmente�sollecitata,�visibile�generalmente�a�partire�da�dimensioni�di�5-10�mm,�comporta�rapidamente�una�variazione�del�contributo�di� rigidezza�del� tubo�criccato�ai�nodi�strutturali�che�porta�ad�una�variazione�della�quantità�stessa�di�carico�applicato�al�tubo�in�esame.�La�ridistribuzione�porta�al�rallentamento�della�propagazione�della�prima�cricca�evidenziata�ed�all’ accelerazione�di�altre�cricche�sui�tubi�risultanti�più�sollecitati�dopo�la�ridistribuzione.�
Su�componenti�a�geometria�così�complessa,�risulta�particolarmente�difficile�l’ applicazione�di�un�criterio�di� rottura�basato� sulla� variazione�di� rigidezza�complessiva� rilevata�dall’ attuatore,� essendo�effettivamente�poco�sensibile� il� punto� di� applicazione� del� carico� a� cricche� locali� di� dimensioni� appena� visibili:� il� monitoraggio�periodico�locale�e�la�stima�della�lunghezza�di�cricca�tecnica�visibile�risultano�le�metodologie�più�indicate.��
8.� RISULTATI�PRELIMINARI�Dopo�la�messa�a�punto�del�banco,�si�sono�eseguite�le�prime�serie�di�prova�preliminare�del�banco�su�due�tipologie�di� telaio:�un�telaio�scooter�125,�sul�quale�si�sono�eseguite�5�prove�di�resistenza�a�fatica�con�carichi�orizzontali�alternati� ad� ampiezza� costante,� ed� un� telaio� di� motocicletta� sportiva� sul� quale� si� sono� eseguite� 5� prove� di�resistenza� a� fatica� con� carichi� orizzontali� alternati� ad� ampiezza� costante� e� 5� prove� di� resistenza� a� fatica� con�carichi�verticali�posteriori�pulsati�ad�ampiezza�costante.�
Per� ciascuna� tipologia� di� motocicletta,� si� sono� dapprima� eseguite� le� tarature� statiche� su� un� telaio�campione� strumentato� con� almeno� 10� ponti� estensimetrici� e� non� utilizzato� nelle� prove� di� rottura� a� fatica� ma�potenzialmente�riutilizzabile�per�le�prove�di�acquisizione�dati�su�strada�o�per�le�prove�di�misura�su�banchi�a�rulli�o�banchi�servoidraulici.� I�ponti�applicati�sul� telaio�campione�sono�stati�posizionati�sia� in�posizioni� lontane�dai�cordoni� di� saldatura� per� poter� fornire� informazioni� sulle� tensioni� nominali� ivi� presenti� [7],� sia� in�posizioni� in�grado� di� fornire� il� livello� locale� di� deformazione� strutturale� in� prossimità� del� cordone,� in� modo� da� poterne�valutare�l’ estendibilità�anche�ad�altre�posizioni�[6].��
Sui� telai� portati� a� rottura� a� fatica,� si� sono� applicati� degli� estensimetri� al� piede� cordone� delle� saldature�risultate� critiche� dopo� le� prime� 2� o� tre� prove� su� telai� non� estensimetrati� esaminati� per� individuare� in� prima�battuta�i�cordoni�critici.�Non�sempre�comunque�la�posizione�di�rottura�è�riapparsa�in�corrispondenza�della�cricca�della� prova� precedente,� soprattutto� al� variare� del� livello� di� carico� ed� all’ aumentare� delle� giunzioni�potenzialmente�critiche�come�nel�caso�del�telaio�motociclistico�a�traliccio.��
La�metodologia�adottata�per�l’ esame�temporale�di�una�prova�a�fatica�è�riportata�in�quanto�segue:�essa�è�stata�applicata�ripetutamente�alle�diverse�giunzioni�analizzate.��
Sui�telai�di�scooter�125�da�sottoporre�alle�prove�di�fatica�sono�stati�applicati�dei�canali�estensimetrici�nei�punti�risultati�critici�dalle�tarature�statiche�al�banco,�come�indicato�in�fig.�(8).�I�segnali�dei�ponti�estensimetrici�sono�stati�acquisiti�periodicamente�durante�le�prove�di�fatica�assieme�al�segnale�proveniente�dalla�cella�di�carico�(FX)�interposta�tra�il�cilindro�ed�il�perno�ruota.�
Nel� grafico� di� fig.� (9)� sono� rappresentati,� in� funzione� del� numero� di� cicli,� sia� gli� andamenti� delle�ampiezze� di� deformazione� (linee� continue),� sia� l’ evoluzione� delle� lunghezze� delle� cricche� rilevate� con� esame�visivo�(linee�a�tratti).�Nella�zona�sottostante�al�grafico�sono�riportate�le�immagini�del�telaio�dello�scooter�assieme�agli�ingrandimenti�delle�zone�di�rottura:�sono�visibili�le�cricche�evidenziate�in�bianco.�Gli�andamenti�dei�segnali�sono�stati�normalizzati� rispetto�alla�ampiezza�di�deformazione�media�registrata�nei�primi�5000�cicli.� In�questo�modo,�risultano�di�immediata�valutazione�le�variazioni�delle�grandezze�durante�l’ esecuzione�della�prova.�
I�primi�canali�che�registrano�un�calo�del�segnale,�attorno�a�33000�cicli,�sono�TTLP3�e�TTRP3�applicati�in�zone�simmetriche�del�telaio�(zona�di�attacco�piastra�–�tubo�superiore);�la�successiva�individuazione�delle�relative�cricche� giustifica� tali� andamenti� in� quanto� la� cricca� scarica� dalla� tensione� il� materiale� ad� essa� circostante,� di�conseguenza� l’ estensimetro,� posto� in� prossimità,� sente� un’ ampiezza� di� deformazione� locale� progressivamente�inferiore� al� progredire� della� cricca.� Dopo� 43000� cicli� è� stata� individuata� un’ altra� cricca� proprio� in�corrispondenza�di�TDRP23�(zona�di�attacco�piastra�–�tubo�inferiore).�L’ ultima�rottura�si�è�verificata�in�una�zona�priva� di� estensimetri� di� misura� (ultimo� ingrandimento� in� basso� a� destra).� I� rimanenti� canali� registrano� un�progressivo�aumento�della�propria�ampiezza�di�deformazione�per�effetto�della�ridistribuzione�delle�tensioni�che�si�verifica�nel�telaio�a�seguito�delle�avvenute�rotture.�
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
414�
Le�rotture�dei�vari�telai�testati�si�sono�verificate�con�due�diverse�modalità,�ma�sempre�nella�zona�piastra.��Si�sono�quindi�adottate�due�definizioni�di�rottura�risultate�equivalenti�ad�uno�stesso�criterio:�calo�del�15%�
della�ampiezza�di�deformazione�per�le�rotture�al�tubo�inferiore�in�presenza�di�estensimetri,�e�lunghezza�di�cricca�pari�ad�una�semicirconferenza�per�le�rotture�al�tubo�superiore�nei�casi�in�cui�non�erano�presenti�gli�estensimetri�al�piede�cordone.� In�entrambi� i� casi,� si� era� in�presenza�di�macro-cricche�evidenti.�La� rottura�del� telaio�è� stata�individuata�al�numero�di�cicli�minore�per�il�quale�si�verifica�uno�dei�precedenti�eventi.�
�Una�volta�rianalizzate�le�singole�prove�a�fatica�ed�uniformato�il�criterio�di�rottura,�si�sono�determinate�le�
curve�di�resistenza�a�fatica�dei�diversi�telai.�Allo�scopo�di�ottenere�una�formulazione�comparabile�dei�risultati,�le�grandezze� di� carico� sono� state� rielaborate� a� prescindere� dalla� maggiore� resistenza� in� valore� assoluto�dei� telai�motociclistici�rispetto�a�quelli�di�scooter�125.��
Va� anche� ricordato� che� entrambi� i� modelli� testati� corrispondono� a� prodotti� già� consolidati� e� da� tempo�diffusi�nel�mercato,�per�i�quali�non�sono�noti�casi�di�rientri�per�rotture�su�giunzioni�del�telaio:�essi�costituiscono�infatti� il� risultato� di� una� ottimizzazione� progettuale� e� produttiva� eseguita� nei� primi� anni� di� produzione,� ed� è�perciò� presumibile� che� siano� nominalmente� adatti� a� superare� il� profilo� di� missione� tipico� per� cui� sono� stati�progettati.�Gli�eventuali�parametri�di�resistenza�a�fatica�definibili�sulla�base�dei�risultati�ottenuti�su�questi�telai�si�
Figura� 9:� andamento� delle� ampiezze� di� deformazione� dei� vari� canali� ed�evoluzione�delle�lunghezza�di�cricca�in�funzione�del�numero�dei�cicli.�
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
415�
possono�dunque�assumere�come�valori�tipici�di�una�buona�progettazione.�Le� curve� a� fatica� dei� telai� sono� state� dapprima� valutate� in� termini� di� range� di� sollecitazione� ∆FX� per�
l’ avantreno� e� range� ∆RN� per� il� retrotreno,� tracciando� le� rette� al� 50%� di� probabilità� di� sopravvivenza� in� un�diagramma�doppio�logaritmico.�
Un� primo� interessante� risultato� è� stato� che� per� due� telai� di� geometria� molto� diversa,� uno� di� scooter� e�l’ altro� di� motocicletta,� si� siano� ottenute� due� curve� di� fatica� all’ avantreno� quasi� parallele� fra� loro,� con� una�pendenza�media�k�≈�5.��
Allo�scopo�di�comparare�le�due�motociclette�per�estrarne�un�parametro�possibilmente�riapplicabile�anche�ad�altre,�partendo�dall’ ipotesi�che�i�carichi�dinamici�sollecitanti�avantreno�e�retrotreno�siano�comunque�generati�dalle� proprietà� inerziali� del� veicolo� e� perciò� riconducibili� al� suo�peso,� si� è� introdotta� la� resistenza� specifica�a�fatica�∆FXS� definita� in� (1),� come� il� rapporto� tra� il� range�di� forza�∆FX�a�2�106� cicli� ed� il�peso� in�Newton�del�motoveicolo�P:�analogamente�per�il�retrotreno�si�è�definito�∆RNS�come�il�rapporto�tra�il�valore�di�∆RN�a�2�106�cicli�ed�il�peso�della�moto�P.��
scootermoto
xS P
FXFX
\
102 6∆=∆ � � � � � (1)�
�
� � � � �moto
xS P
RNRN
6102∆
=∆ � � � � � (2)�
�Le� tre� curve�di� fatica�ottenute,� adimensionalizzate� rispetto� al� peso� a� secco�del�veicolo� (scooter�oppure�
motocicletta),� sono� indicate�nel�grafico�di� fig.� (10).�Due�curve� sono� inerenti� alle�prove�di� fatica�all’ avantreno�mentre�la�restante�riguarda�il�retrotreno.�I�risultati�ottenuti�sono�riassunti�in�tab.�(1).�
�������������������������������
� Scooter�avantreno� Moto�avantreno� Moto�retrotreno�∆FXS�[N]� 2.34� 2.15� \�∆RNS�[N]� \� \� 0.82�
�
Figura�10:�curve�di�fatica�adimensionalizzate�rispetto�al�peso�del�motoveicolo�
Tabella�1:�Valori�di�resistenza�specifica�a�fatica�∆FXS�,�∆RNS�a�2�106�cicli.�
CURVE�DI�FATICA
0.1
1.0
10.0
100.0
1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07numero�cicli
Motocicletta�900�cc�RN
Curva�di�fatica�al�retrotreno
Scooter�125�cc
Motocicletta�900�cc
Curve�di�fatica�all'avantreno
K�=�4.97
K�=�2.83
K�=�5.47
Curve�al�50�%�di�probabilità�di�sopravvivenza
XXX�Convegno�Nazionale�AIAS�–�Alghero�(SS),�12-15�settembre�2001�
416�
Il�parametro�“resistenza�specifica�a� fatica”,�ottenuto�nel�presente� lavoro�a�partire�da� telai�con�una�buona�storia� di� integrità� strutturale� sul� campo,� è� adottabile� come� valore� di� progetto� per� la� progettazione� di� telai�affidabili:� noto� il� peso� del� veicolo,� si� può� stimare� il� valore� di� ∆FX� che� la� curva� di� fatica� del� telaio� deve�presentare�a�2�106��cicli�di�resistenza�a�fatica�moltiplicando�per�un�valore�prossimo�a�due�il�peso�del�motoveicolo�in�condizioni�di�marcia.�Analoghe�considerazioni�si�possono�applicare�al�retrotreno�del�telaio�motociclistico�in�cui�il�valore�di�riferimento�∆RΝ �si�ottiene�moltiplicando�per�0.8�il�peso�della�moto.�
Va� osservato� che� i� due� componenti,� avantreno� e� retrotreno,� essendo� soggetti� in� prova� a� rapporti� di�sollecitazione� rispettivamente� R� =� -1� e� R� =� 0,� si� troverebbero� ad� essere� sottoposti� a� valori� massimi� di� forza�comparabili,� prossimi� al�peso� stesso�del�veicolo:� sulla�base�dei�dati� a�disposizione� tali�valori�di� forza�devono�poter�essere� sostenuti�da�un� telaio�per�2�106�cicli�con� il�50%�di�probabilità�di�sopravvivenza�per�assicurare� la�capacità�di�sostenere�in�modo�affidabile�la�missione�richiesta.��
Ulteriori� prove� e� curve� di� resistenza� di� telai� di� altre� dimensioni,� materiali� e� tipologia� permetteranno� di�verificare�la�validità�dei�valori�ricavati�sia�per�la�pendenza�delle�curve�che�per�il�parametro�resistenza�specifica�a�fatica.��
9.� CONCLUSIONI�Il� lavoro�presenta� le�premesse�concettuali� e� le� soluzioni� tecniche�adottate�nella�definizione�di�un�banco�prova�flessibile�per�l’ analisi�strutturale�ed�a�fatica�di�telai�motociclistici.�Sono�presentate�le�rianalisi�dei�dati�ottenuti�su�strada�sia�su�motociclette�sportive�sia�su�scooter�stradali,�in�grado�di�evidenziare�l’ indipendenza�di�fondo�tra�le�sollecitazioni� flessionali� al� nodo� anteriore� dello� sterzo� e� quelle� provenienti� dall’ ammortizzatore� posteriore,�nonché�l’ elevata�complessità�delle�storie�di�carico�effettive�al�perno�ruota�per�un�passaggio�su�rallentatore.�
Sulla�base�di�tali�analisi,�una�soluzione�semplificata�basata�su�due�attuatori�indipendenti�è�stata�proposta�ed� adattata� alla� prova� sia� di� telai� sportivi� che� di� telai� per� scooter.� Il� sistema� così� realizzato� ha� consentito� di�eseguire�delle�prove�statiche�ed�a�fatica�sulle�due�tipologie�di�telaio�esaminato.�
Si�è�adottata�una� tecnica�di� ricostruzione�dello� svolgimento�della�prova�e�della�comparsa�successiva�di�cricche�in�competizione�su�diverse�posizioni�del�telaio�per�tutte�le�prove�eseguite.�
I�risultati�delle�prove�a�fatica�sono�riportati�in�termini�di�curve�al�50%�di�probabilità�di�sopravvivenza�e�comparati�in�termini�di�resistenza�specifica�a�fatica:�per�l’ avantreno�si�ottengono�valori�molto�simili�di�pendenza�e�posizione�delle�curve�per� telai�di�scooter�e� telai�motociclistici.�L’ unica�curva�disponibile�per� il� retrotreno�di�telaio�motociclistico�evidenzia�un�valore�notevolmente�inferiore�per�la�pendenza�della�curva.�
I�risultati�ottenuti�possono�essere�utilizzati�per�la�stima�dei�valori�di�progetto�delle�proprietà�di�resistenza�a�fatica�di�telai�motociclistici�a�partire�dalla�conoscenza�del�peso�a�secco�del�veicolo.�
Bibliografia��[1]� Petrone� N.,� Meneghetti� G.,� L’ analisi� di� prestazione� e� durata� di� componenti� motociclistici:� Parte� Ia:� Acquisizione� dati,� Parte� IIa:�
L’ analisi�di�prestazione,�Parte�IIIa:�La�durata,�MotoTecnica,�Nov.�1997,�Dic.�1997,�Febbr.�1998.�[2]� N.�Petrone,�N.�Biliato,�G.�Toselli,�F.�Fazi,�Acquisizione�ed�analisi�dei�carichi�su�scooter�125�in�prove�su�pista�e�su�banco�a�rulli,�
XXIX°�Convegno�Nazionale�AIAS,�Lucca,�6-9�Settembre�2000.�[3]� Forni�A.,�Meneghetti�G.,�Petrone�N.,�Structural�behaviour�of�a�sport�motorcycle�in�typical�road�events,�Proceedings�of�“Power�two�
wheels”,�ATA�International�Conference,�Pisa,�Italy,�Dec.�1998.�[4]� G.�Stewart,�P.�Gunness,�“Accelerated�Motorcycle�Testing�–�Using�Laboratory�Simulation�Methods”,�SAE�Technical�Paper�Series.�[5]� N.� Biliato,� “Analisi� sperimentale� e� simulazione� numerica� del� comportamento� strutturale� di� uno� scooter� 125� cc”,� Tesi� di� Laurea,�
Università�degli�Studi�di�Padova�–�Facoltà�di�Ingegneria�-�Dipartimento�di�Ingegneria�Meccanica-�1999.�[6]� D.�Pegoraro,�“Verifica�sperimentale�del�comportamento�a�fatica�di�telai�per�scooter�125�cc”,�Tesi�di�Laurea,�Università�degli�Studi�di�
Padova�–�Facoltà�di�Ingegneria�-�Dipartimento�di�Ingegneria�Meccanica-�2000.�[7]� M.� Cecchetto,� sviluppo� e� collaudo� di� un� banco� prova� a� fatica� per� telai� motociclistici,� Tesi� di� Laurea,� Università� degli� Studi� di�
Padova–�Facoltà�di�Ingegneria�-�Dipartimento�di�Ingegneria�Meccanica-�1999.�