ACQUISIZIONE SU STRADA E RIPRODUZIONE AL BANCO DI SOLLECITAZIONI COMPLESSE SU COMPONENTI MOTOCICLISTICI SOGGETTI A FATICA

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1 ACQUISIZIONE SU STRADA E RIPRODUZIONE AL BANCO DI SOLLECITAZIONI COMPLESSE SU COMPONENTI MOTOCICLISTICI SOGGETTI A FATICA N. Petrone and M. Saraceni 1 Department of Mechanical Engineering, University of Padova, Padova (Italy) SOMMARIO Il lavoro presenta lo sviluppo di un simulatore di strada per forcelle motociclistiche presso la Paioli Meccanica, denominato MAFRS, basato su tre canali di carico disaccoppiati: FP, forza parallela all asse sterzo, FN, forza normale all asse sterzo, FB, forza di frenatura al disco. Le storie di carico rilevate su strada possono essere riprodotte al banco tramite un sistema complesso di strutture di vincolo e carico opportunamente progettate. Sono descritte in sintesi le fasi dello studio: (i) progetto di un sistema di misura dei carichi all asse ruota anteriore; (ii) acquisizione su strada degli spettri di carico significativi per diverse condizioni di guida; (iii) progetto di un simulatore di strada a tre canali sulla base dei carichi misurati; (iv) collaudo del sistema con una forcella di note caratteristiche progettuali e funzionali. Il MAFRS risulta uno strumento potente e versatile unico nel suo genere per la verifica strutturale completa di forcelle motociclistiche. ABSTRACT The work reports the concept and development of a road simulator for motorcycle forks at Paioli Meccanica, named MAFRS, with three decoupled control channels: FP, force parallel to the steering axis, FN, force normal to the steering axis, FB, disk brake force. Load histories measured in the field by means of dynamometric load cells can be reproduced in the simulator by a complex system of restraint and load structures. The steps of the study are shortly described: (i) design of dynamometric load cells for the measure of loads at the front wheel axis; (ii) field measurement of significant load spectra for different driving conditions; (iii) concept and design of a three channel road simulator based on the available load data; (iv) validation of the bench on a fork of known behaviour. MAFRS resulted to be a powerful and flexible tool for the complete structural assessment of motorcycle forks. 1. INTRODUZIONE Obiettivo iniziale del progetto era la possibilità di integrare le diverse fasi della progettazione e completare lo sviluppo di un prodotto complesso come una forcella motociclistica con una prova al banco che riproducesse il più fedelmente possibile la realtà e fosse più economica di

2 una campagna di prove di delibera su strada. Tipicamente, le forcelle motociclistiche, pur se progettate sulla base di esperienze precedenti e verificate con calcoli strutturali e funzionali, vengono sottoposte separatamente a prove di caratterizzazione idraulica, di verifica strutturale semplificata e di usura/attrito agli steli. La verifica complessiva comunque è demandata a prove di collaudo su prototipi, spesso limitate ad una componente di carico di flessione, a prove su banco a rulli ad ampiezza costante [1,2] o a lunghe e costose prove di delibera su strada, con elevati costi di impegno del veicolo, del pilota ed eventualmente della pista. Il funzionamento reale della forcella anteriore motociclistica è complesso per l elevato numero di componenti di carico potenzialmente presenti e per la varietà di manovre eseguibili su strada [3]; la forcella inoltre è il componente che, assieme al telaio, più condiziona il comportamento su strada del veicolo e, soprattutto, ne determina la sicurezza sia in condizioni normali, sia in condizioni limite o in eventi accidentali di impatto o caduta. Da qui lo sforzo di concepire un sistema complesso di prova in grado di riprodurre il più possibile al banco le condizioni di sollecitazione rilevabili su strada, con particolare attenzione al comportamento strutturale degli organi meccanici della forcella combinata con il suo funzionamento idraulico: in questo senso, soprattutto le sollecitazioni di frenata sono risultate mancanti sia dalle tradizionali prove a fatica a flessione con carico normale all asse sterzo, sia dalle usuali prove su banco a rulli. Il comportamento invece ai carichi laterali, pur fondamentale per le caratteristiche di guidabilità del veicolo, è stato considerato meno prioritario per lo sviluppo di un simulatore di strada. Nonostante la tecnologia di simulazione con banchi servoidraulici del comportamento strutturale e dinamico sia ormai prassi consolidata nel campo automobilistico, in campo motociclistico solo poche ditte al mondo possono affermare di utilizzare simulatori di strada per lo sviluppo/collaudo di motociclette complete, e probabilmente nessuna include nelle prove i carichi di frenatura ed i carichi laterali. Dal punto di vista del produttore di forcelle motociclistiche, la prova combinata forcellaveicolo completo è da un lato preferibile, in quanto rappresentativa dell effettivo comportamento finale della coppia forcella/telaio, da un altro lato possibilmente non vantaggiosa per la possibilità di comparsa di una serie elevata di criticità sul veicolo antecedenti a quelle sulla forcella che portano comunque ad un analisi ridondante e dispendiosa. Queste dunque le considerazioni che hanno spinto la Paioli Meccanica ad investire sullo sviluppo di un simulatore di strada che fosse in grado di mettere in prova la sola forcella anteriore applicando le sollecitazioni di affondamento, flessione e frenatura derivanti da reali misure su strada. Il presente lavoro descrive in sintesi le fasi dello studio: (i) progetto di un sistema di misura dei carichi all asse ruota anteriore; (ii) acquisizione su strada degli spettri di carico significativi per diverse condizioni di guida; (iii) progetto di un simulatore di strada a tre canali sulla base dei carichi misurati; (iv) collaudo del sistema con una forcella di note caratteristiche progettuali e funzionali. 2. MISURA DEI CARICHI ALL ASSE ANTERIORE Le attività di misura, oggetto di un precedente lavoro [3], hanno visto la realizzazione di uno scooter 150 completamente strumentato per lo studio sperimentale del comportamento dinamico e strutturale sia durante la normale marcia su strada che nell esecuzione di manovre tipiche utili alla simulazione dinamica ed alla previsione di vita a fatica. Il veicolo sviluppato, uno scooter Peugeot Elyseo 150 con un totale di 34 canali di misura, consente la misura dei

3 carichi agli assi ruota assieme alla dinamica nel piano e fuori dal piano del veicolo in prove di handling, in eventi tipici ed in prove di lunga percorrenza. I canali di forza sono stati rilevati mediante installazioni dedicate all asse ruota anteriore ed al supporto del motore al telaio: in particolare, per quanto riguarda la forcella anteriore, sono state appositamente realizzate due celle dinamometriche triassiali applicate ai foderi di serie come supporti del perno ruota anteriore. Il problema dell acquisizione dei carichi all asse ruota anteriore era già stato affrontato in precedenza con esperienze su scooter e motociclette, sia con ricorso a canali di misura applicati direttamente ai tubi di forza ed al cannotto della forcella, sia con lo sviluppo di perni strumentati [1,3,4]. La soluzione adottata (Figg. 1-2) è costituita da due supporti applicati a ciascun fodero della forcella. Essi sostengono l asse della ruota e sono sensibili alle componenti di carico secondo le direzioni P (parallelo all asse sterzo), N (normale all asse sterzo), L (laterale rispetto all asse sterzo). A posteriori, note le geometrie dei componenti in gioco, vengono calcolati i momenti relativi ai tre assi. Tale soluzione consente di superare i problemi di isteresi connessi al funzionamento non-lineare dei cuscinetti nel trasferimento del carico da ruota a perno estensimetrico. Lo sviluppo concettuale delle celle anteriori, a partire dalla forcella originale fino al progetto del sistema dinamometrico per la misura delle 6 componenti di carico all asse anteriore ed all applicazione dei supporti dinamometrici al perno ruota anteriore è descritto in Figura 1. a b c Figura 1: Sviluppo concettuale delle celle anteriori: (a) forcella originale, (b) progetto del sistema dinamometrico, (c) applicazione dei due supporti dinamometrici al perno ruota anteriore per la misura delle 6 componenti di carico all asse anteriore. In Figura 2 sono riportate le terminologie adottate per le grandezze misurate, distinte in componenti di forza parallela FP, normale FN e laterale FL all asse sterzo. Viene inoltre riportata l immagine finale della cella realizzata dopo estensimetratura, prima del montaggio sulla forcella. Le celle di carico anteriori applicate su ciascun fodero, realizzate in Ergal, sono state progettate in modo da non modificare la posizione del perno rispetto alla forcella ed allo sterzo del veicolo: si è andati invece a modificare i foderi di serie per consentire l alloggiamento delle celle e l applicazione di due piastre laterali in acciaio con funzione di tenuta di sicurezza nel caso di cedimento delle celle per sovraccarico dinamico. L elemento sensibile contiene tre ponti interi estensimetrici che utilizzano il principio delle celle

4 ottagonali: le celle sono state calcolate in modo da ottenere una sufficiente sensibilità senza introdurre deformabilità tali da falsare né la funzionalità del sistema frenante, né la dinamica dell avantreno. Il sistema di celle anteriori è stato progettato per una vita a fatica di 1000 km e verificato su banco a rulli. I carichi verticale, orizzontale e laterale al punto a terra della ruota anteriore sono stimabili a partire dalla conoscenza dell assetto del veicolo. La pinza del freno anteriore è stata infine modificata ed estensimetrata in corrispondenza delle staffe di fissaggio alla forcella, in modo da ottenere un canale a ponte intero sensibile alla forza tangenziale di frenatura. Il sistema è stato calibrato al banco con prove sia sulle singole celle, sia sul sistema ruotaperno-forcella. FPR FNR FLR FNL FPL FLL (a) (b) Figura 2: (a) Terminologia adottata per le forze misurate alla cella destra (R) e sinistra (L), con vista di dettaglio della cella triassiale sviluppata; (b) cella di carico anteriore destra montata sullo scooter: si notano il potenziometro lineare per la misura della corsa dell ammortizzatore anteriore e gli accelerometri sensibili in direzione N e P. 3. PROVE SU STRADA Per la misura dei segnali di carico significativi sia per i calcoli che per le prove a fatica, si è utilizzato un sistema di acquisizione portatile nel vano portacasco e si sono pianificate più sessioni di misura, distinte tra sessioni di misura degli eventi massimali, sessioni di misura della dinamica nel piano e fuori del piano e sessioni di misura di lunga percorrenza. Il sistema di acquisizione utilizzato è stato l unità SoMat 2300, posizionata nel vano portacasco assieme alla batteria di alimentazione; si sono potuti acquisire 16 canali estensimetrici e 16 canali analogici a 12 bit di risoluzione, adottando le frequenze di 800 Hz per la misura degli eventi e della dinamica del veicolo, e 400 Hz per le prove di lunga percorrenza. La procedura di acquisizione è stata definita e sistematicamente adottata in modo da consentire una corretta verifica ed analisi dei dati rilevati [3]. In particolare, si è definito come valore di azzeramento dei canali anteriori la condizione con ruota anteriore sollevata dal suolo, scooter orizzontale, e come condizione di zero per i canali posteriori quella con ruota posteriore alzata. Gli eventi tipici sono stati analizzati in varie sessioni di prova presso il Dipartimento di

5 Ingegneria Meccanica, Università di Padova: sono stati registrati passaggi su rallentatore standard a velocità diverse e con una o due persone, frenature da diversa andatura e con diversa ripartizione. In Figura 3, dopo la rianalisi dei dati ed il calcolo delle componenti di carico complessive all asse ruota, si riporta a titolo di esempio l andamento dei carichi FN e FP alla ruota anteriore per prove di passaggio su rallentatore stradale con pilota e passeggero a velocità crescenti. Le prove di maneggevolezza sono state eseguite presso la pista di Adria: si sono registrati slalom con passo diverso dei birilli ed a velocità crescenti, fenomeni di wobble e weave e passaggi su steering pad a raggio di curvatura crescente. Prove con eventi singoli quali frenatura, slalom, cambi di corsia e curve a raggio costante hanno fornito i dati per la validazione di modelli dinamici dello scooter. Le prove di lunga percorrenza sono state eseguite da parte dei piloti collaudatori lungo i percorsi di riferimento presso la sede della Peugeot Motocycles, per un totale di 350 km. Nei percorsi, sono stati rilevati tratti di pavè sconnesso con passaggi ad una o due persone, tratti di percorsi urbani e autostrada, tratti extraurbani e misti, con percorrenze molto intense e manovre al limite, in cui il funzionamento dello scooter strumentato è risultato sempre corretto. Da parte dei collaudatori non è stata segnalata alcuna modifica del comportamento strutturale del veicolo rispetto alle prestazioni normali, confermando il corretto progetto dei sistemi di misura, in particolare di quelli dinamometrici all asse anteriore ed al supporto motore. Forza [N] FN Forza MAX / MIN Velocità [km/h] FNLmax [N] FNRmax [N] FNLmin [N] FNRmin [N] Forza [N] FP Forza MAX / MIN FPLmax [N] FPRmax [N] FPLmin [N] FPRmin [N] Velocità [km/h] Figura 3: Passaggio su rallentatore, pilota e passeggero. Andamento delle forze FN e FP all asse anteriore per passaggio a velocità crescente su rallentatore stradale, pilota e passeggero. Le prove a lunga percorrenza con tester e percorsi differenti hanno fornito i dati necessari alla previsione di vita a fatica dei componenti del veicolo, consentendo la compilazione di un database di percorsi che possono essere combinati anche diversamente per costituire la missione a cui il veicolo deve essere destinato. Nell ottica della riproduzione al banco delle sollecitazioni dinamiche ai perni ruota anteriore e posteriore di un veicolo completo, i dati acquisiti, opportunamente editati e concatenati sulla base della missione del veicolo, costituiscono il segnale obiettivo per un banco prova in grado di pilotare opportunamente degli attuatori verticali ed orizzontali ed ottenere la riproduzione dei segnali obiettivo in posizioni fondamentali quali l asse ruota anteriore e posteriore.

6 Con riferimento in particolare al banco prova per forcelle motociclistiche, tre sono stati i canali sintetizzati per il controllo: la forza complessiva parallela all asse sterzo FP, la forza complessiva normale all asse sterzo FN e la forza di frenatura alla pinza freno FB. Tre prove massimali sono state adottate per la successiva sintesi di un file di collaudo del banco prova tricanale: una serie di passaggi su rallentatore stradale a velocità crescente, due passaggi su pavè e quattro frenate al limite del ribaltamento. 4. LO SVILUPPO DEL SIMULATORE DI STRADA L obiettivo di fondo della ricerca è il trasferimento delle sollecitazioni reali dalla strada al simulatore, come schematizzato in Figura 4. Viene concepito il sistema multi canale per la simulazione dei carichi stradali su forcelle motociclistiche, il MAFRS: (MultiAxisForkRoadSimulator). Il principio di funzionamento del MAFRS riprende alcune soluzioni presenti nei simulatori di strada automobilistici, in particolare quelli con carichi applicati al mozzo ruota. Tre attuatori servoidraulici indipendenti consentono la riproduzione disaccoppiata delle tre componenti di carico assunte come significative: FP, FN ed FB. Il sistema permette sia l applicazione delle forze singolarmente, sia la combinazione delle azioni di carico. L applicazione del carico FP parallelo all asse sterzo (o agli steli forcella nel caso di forcelle con cannotto non parallelo agli steli) è ottenuta mediante un attuatore verticale collegato all asse ruota. L applicazione dei carichi FN ed FB è ottenuta mediante una crociera di carico che simula la presenza della ruota, con sistemi di leveraggi ed attuatori opportunamente disposti su un unico pianale rigido THIST01.SIF-FN THIST01.SIF-FP THIST01.SIF-FB FN FN (N) FN FB FP FP (N) FP FB FB (N) FP FN FB Time (Secs) Figura 4: Obiettivo del simulatore di strada: la riproduzione al banco multicanale delle azioni di carico registrate su strada. Il sistema complesso così concepito è disaccoppiato in quanto l attuazione di una delle azioni

7 di carico non richiede la reazione da parte degli altri canali nel caso di piccoli spostamenti e di posizione di allineamento iniziale. Essendo elevati gli spostamenti in direzione P, il sistema di controllo e di correzione degli angoli di applicazione dei carichi permette una compensazione delle azioni equilibranti richieste da ciascun canale agli altri due, con ordini di grandezza comunque inferiori ai valori di comando nominali. La soluzione concettuale adottata è risultata originale rispetto alle precedenti esperienze in campo motociclistico ed è stata oggetto di brevetto industriale: si è successivamente affrontato anche lo studio progettuale e costruttivo del banco, una volta definite le caratteristiche degli attuatori idraulici forniti dalla MOOG Italia. Nella definizione costruttiva del MAFRS si è puntato ad un sistema versatile in grado di testare la gamma completa di forcelle anteriori in produzione, partendo da un solido ed ampio bancone scanalato e progettando un grande portale che consentisse la facile accessibilità alla forcella in prova. Per lo sviluppo progettuale del MAFRS si è sviluppato un modello multibody del sistema di attuatori, biellismi e leveraggi applicato alla forcella dello scooter Elyseo 150. Le simulazioni dinamiche degli eventi singoli di Bump, Pavè e Frenata hanno consentito di includere gli effetti inerziali della crociera e dei leveraggi e di correggere di conseguenza i segnali di comando agli attuatori per ottenere all asse ruota i segnali obiettivo. Dal modello multibody si sono ottenute le storie di carico ai componenti del sistema di carico utilizzate per la successiva verifica di resistenza a fatica. L analisi FEM della crociera ha consentito la verifica di resistenza a fatica del componente fondamentale del sistema. Il banco è stato installato presso il Laboratorio di Prove Strutturali della Paioli Meccanica. 5. IL COLLAUDO DEL SIMULATORE DI STRADA Per il collaudo del simulatore si è utilizzato il blocco di carico riportato in Figura 5, sintetizzato in precedenza (Bump-Pavè-Brake), ed una forcella dell Elyseo 150 estensimetrata nelle stesse posizioni della forcella utilizzata per le prove su strada. In questo modo, oltre alla registrazione dei tre segnali di Forza, Spostamento e Comando per ciascun attuatore, si sono rilevati in modo sincrono le deformazioni locali alle posizioni significative della forcella FN [N] FP [N] FB [N] Time (Secs) Figura 5: Il blocco di carico utilizzato per il collaudo del banco, ottenuto dal concatenamento di 7 passaggi su rallentatore stradale a velocità crescente, due tratti di pavè e quattro frenate al limite del ribaltamento.

8 Questo ha consentito un confronto diretto con le misure su strada sia delle forze all asse ruota sia delle deformazioni locali, per agire iterativamente sui segnali di comando degli attuatori e permettere la riproduzione effettiva delle sollecitazioni reali [5]. Il sistema in prova ha evidenziato un funzionamento correttamente disaccoppiato sia con i singoli attuatori in prova, sia in azioni combinate. Sono in fase di implementazione le procedure per la prova sistematica di durata di forcelle con storie tratte dal database disponibile. 6. CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha consentito la realizzazione di un simulatore di strada per forcelle motociclistiche presso la Paioli Meccanica, denominato MAFRS, basato su tre canali di carico disaccoppiati. Le forze FP, parallela all asse sterzo, FN, normale all asse sterzo, FB, di frenatura al disco sono state rilevate da prove su strada con scooter dotato di celle dinamometriche e riprodotte al banco dopo realizzazione di una opportuna struttura di vincolo e di una serie di leveraggi di carico. Il banco ha fornito in collaudo un funzionamento corretto, secondo quanto previsto dalle analisi multibody e FEM svolte in fase progettuale. Il MAFRS risulta uno strumento potente e versatile unico nel suo genere per la verifica strutturale completa di forcelle motociclistiche. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia la ditta Paioli Meccanica per aver finanziato il presente lavoro. Bibliografia [1] N. Petrone, N. Biliato, G. Toselli, F. Fazi, (2000) Acquisizione ed analisi dei carichi su scooter 125 in prove su pista e su banco a rulli. XXIX Convegno Nazionale AIAS, pp [2] Petrone N., Saraceni M., Cecchetto M., Pegoraro D. (2001) Sviluppo di un banco prova per l analisi strutturale ed a fatica di telai motociclistici. XXX Convegno Nazionale AIAS, pp [3] Saraceni M., Petrone N. (2003) Sviluppo di un sistema di celle dinamometriche per la misura completa dei carichi agli assi ruota di uno scooter 150 cc.. XXXII Convegno Nazionale AIAS. [4] Petrone N., De Paoli E., Capuzzo M., Biliato N. (2002) Acquisition and analysis of aerodynamic loads on Formula 3 racing car wings using dynamometric load cells, Paper SAE Motorsports Engineering Conference & Exhibition, SAE P-382, pp [5] Petrone N., Susmel L. (2003) Biaxial Testing and Analysis of Bicycle-Welded Components for the Definition of a Safety Standard. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 26,

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