PINARELLO DOGMA F8 WHITE PAPER 1.0 PINARELLO DOGMA F8

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1 PINARELLO DOGMA F8

2 CONTENTS Introduzione - Background Collaborazione con il Team Sky e Jaguar Obiettivi e metodo ingegneristico 2. Progettazione strutturale - Introduzione al FEM Asimmetria del telaio Fibra di carbonio Torayca T1100 1K Pre Processing Processing 3. Progettazione aerodinamica - Introduzione al CFD Profili FlatBack Pre Processing Processing Post-processing e analisi dei risultati 4. Progettazione finale DOGMA F8 highlights Prototipo in Rapid Prototyping 5. Tests Strutturali Test in galleria del vento Test su strada 2

3 1. INTRODUZIONE Background La bicicletta è un veicolo terrestre azionato dalla forza muscolare delle gambe. Durante il suo moto, essa è soggetta a differenti forze, che dipendono dalle condizioni esterne e si oppongono al moto. Queste sono la resistenza al rotolamento, la componente della forza peso e la resistenza dell aria. La prima dipende da molti fattori che agiscono sul sistema ruota-strada. La seconda, come è noto, dipende dalla pendenza della strada, così come dal peso della bici e del corridore. Infine, la terza dipende principalmente dalla forma del telaio e dalla posizione assunta dal corridore, così come dalla velocità. È quindi evidente che le principali caratteristiche di un telaio di bici da strada siano le seguenti: rigidità, peso e aerodinamica. La rigidità previene la perdita dell energia generata dal corridore in inutili deformazioni del telaio, trasferendola alla ruota posteriore. L asimmetria, una famosa caratteristica di tutti i telai Pinarello, aumenta notevolmente la rigidità complessiva del telaio: diverse sezioni tra i lati sinistro e destro consentono una risposta più equilibrata alle forze agenti durante una corsa. Dal 2009 Pinarello ha studiato e implementato questo concetto sulle sue bici, per offrire ad ogni corridore una bici il più equilibrata possibile. La riduzione del peso porta benefici in ogni momento della corsa. È logico pensare che minore è il peso della bici, minore è la forza che si oppone al moto durante una salita. Meno intuitivo, ma altrettanto importante, è il fatto che un minor peso comporta una minor inerzia e quindi meno energia necessaria per accelerare o rallentare la bici. L aerodinamica è ormai una qualità fondamentale da ricercare durante lo sviluppo di una bici: soprattutto sui percorsi pianeggianti, date le velocità di corsa sempre maggiori, con medie superiori ai 40 km/h, la riduzione della resistenza aerodinamica della bici gioca un ruolo fondamentale per preservare energia durante la gara. Prince, Dogma 60.1, Dogma 2, Dogma 65.1 Think2, sono le bici che finora hanno percorso la strada dell asimmetria e dell aerodinamica, in un continuo processo di miglioramento. PRINCE DOGMA 60.1 DOGMA 2 DOGMA 65.1 T2 3

4 Collaborazione con il Team Sky e Jaguar Pinarello ha sostenuto Team Sky fin dalla sua fondazione nel 2009, fornendo le bici alla squadra. Questo ci ha permesso di testare le nostre biciclette nelle gare più importanti di tutto il mondo e di raccogliere preziosi feedback per migliorarle. Anche durante lo sviluppo del Dogma F8, c è stata un intensa collaborazione con il team, scambiando informazioni e conoscenze. Inoltre, in questo nuovo progetto, anche Jaguar si è unita a noi durante lo sviluppo, condividendo il loro design innovativo e le loro tecnologie. In particolare hanno giocato un ruolo fondamentale nel processo di progettazione della bici attraverso avanzate analisi CFD e modellazione aerodinamica. 4

5 Obiettivi e metodo ingegneristico Ci sono molti fattori da considerare quando si progetta una nuova bici, soprattutto se questa deve essere una bicicletta completa. È molto importante individuare quali sono gli scopi del progetto, per seguirli durante lo sviluppo e, alla fine, per verificare che la nuova bici li rispetti. Il nostro obiettivo era migliorare le prestazioni strutturali e aerodinamiche della bici, mantenendo le nostre tipiche guidabilità e feeling in corsa. I quattro scopi all inizio di questo nuovo progetto erano: Mantenere la stessa guidabilità, per garantire lo stesso feeling del Dogma Vogliamo permettere ad ogni corridore di salire a bordo della nuova bici e sperimentare le migliorie, certo che essa si comporterà come ogni altra bici Pinarello, agile e precisa in ogni curva. Così abbiamo usato la stessa serie sterzo conica della Dogma 65.1 (cuscinetto superiore da 1 1/8, cuscinetto inferiore da 1 1/2) e le stesse geometrie: 13 misure permettono ogni ciclista di trovare il telaio che meglio si adatta al suo corpo; Aumentare la rigidezza della zona che trasferisce la potenza e l assorbimento verticale, per evitare qualsiasi spreco di energia e avere un comportamento più equilibrato della bici. Il trasferimento di potenza avviene soprattutto attraverso il tubo di sterzo, il tubo obliquo, il movimento centrale e i foderi: una grande rigidità è necessaria in queste zone per ridurre gli sprechi di energia e aumentare il trasferimento di potenza tra il corridore e la ruota posteriore. D altro canto, se la parte alta del telaio (foderi verticali e tubo sella) sono correttamente progettati, essi possono facilmente assorbire le asperità del terreno, garantendo una guida più confortevole. Abbiamo utilizzato un nuovo materiale e migliorato il concetto dell asimmetria per ottenere questo risultato; Ridurre la resistenza dell aria, per ridurre ogni spreco di energia dovuto alla resistenza dell aria. Abbiamo utilizzato nuove sezioni per i tubi e analizzato profondamente l interazione di tutti i componenti, per ottimizzare il flusso d aria, lungo la bicicletta; Ridurre il peso, per ridurre l energia necessaria in un percorso misto o in salita. Inoltre, questo riduce anche l inerzia della bici, consentendo accelerazioni e frenate più rapide. L uso di un nuovo materiale, l ottimizzazione delle sezioni dei tubi e un nuovo sviluppo del concetto di asimmetria ci hanno aiutano a raggiungere questo scopo. 5

6 Obiettivi e metodo ingegneristico Ognuna delle singole finalità sopra elencate è un gran miglioramento per una bici, ma quello che abbiamo cercato è stato un miglioramento complessivo. Utilizzando analisi FEM e CFD e collaborando con il Team Sky e Jaguar, abbiamo raggiunto tutti gli scopi di cui sopra, assicurando la migliore soluzione possibile. Il metodo ingegneristico utilizzato durante la fase di progettazione era destinato a verificare ogni fase dello sviluppo e può riassunto con lo schema qui sotto riportato. Questo approccio iterativo è stato utilizzato sia per la progettazione strutturale, sia per quella aerodinamica. Prima di tutto abbiamo analizzato le prestazioni di Dogma 65.1, fissando un punto di riferimento per ogni verifica (l abbiamo chiamato Frame 0 ); questa analisi ha inoltre messo in luce le zone più critiche da migliorare. Di seguito abbiamo modellato e analizzato un primo prototipo (chiamato Frame 1 ), che già implementava alcune nuove soluzioni. Dopo di che abbiamo modificato il Frame 1, applicando ogni volta una singola modifica, ed ottenendo molti differenti prototipi ( Frame 2, Frame 3,..., Frame n - 1 ); l analisi di ogni singolo prototipo ci ha mostrato i benefici di ogni modifica. Infine, dopo aver analizzato e confrontato tra le prestazioni di molti prototipi, abbiamo fissato le caratteristiche che garantiscono il miglior compromesso; con queste caratteristiche abbiamo progettato la versione finale del telaio ( Frame n ). Alla fine, abbiamo confrontato le prestazioni di Frame 0 e Frame n, verificando se gli scopi originali erano stati raggiunti. Preliminary analysis of current bike FRAME 0 First prototype modelling FRAME 1 First prototype modelling analysis FRAME 1 Single change on the prototype modelling FRAME 2 Single change on the prototype modelling FRAME 3 Single change on the prototype modelling FRAME 4 Single change on the prototype modelling FRAME 1 Single change performance analysis FRAME 2 Single change performance analysis FRAME 3 Single change performance analysis FRAME 4 Single change performance analysis FRAME 1 Complete data results comparison Final prototype modeling FRAME N Final prototype analysis FRAME N Results comparision and original purposes check 6

7 2. PROGETTAZIONE STRUTTURALE Introduzione al FEM Il FEM (Metodo degli Elementi Finiti) è un metodo per riprodurre, studiare e verificare virtualmente il comportamento di un oggetto reale quando è sottoposto a determinate forze. Usando questa tecnica abbiamo potuto: - creare e comparare molti diversi prototipi; - ottimizzare la forma e le sezioni dei tubi, in relazione alla prestazione richiesta; - ridurre il tempo ed i costi della fase progettuale, in quanto le performance possono essere verificate preliminarmente senza dover produrre prototipi reali. Le caratteristiche strutturali di un telaio, la rigidezza ed il peso, dipendono innanzitutto dal materiale e dalla forma. Il materiale, impropriamente detto fibra di carbonio, è un materiale composito, in quanto è composto da fibre/ tessuti e da resina: le sue proprietà dipendono dalla qualità/tipo e dall interazione di entrambi. I vantaggi di questo materiale sono un elevato rapporto di rigidità su peso, nonché la possibilità di posizionare il materiale secondo necessità; per esempio, le aree rinforzate sono il movimento centrale e sterzo, mentre altre zone meno stressate hanno meno materiale. D altra parte, anche se spesso trascurata, la forma dei tubi ha un ruolo altrettanto importante. È noto che le varie parti del telaio sono sottoposte a diverse sollecitazioni e devono garantire risposte differenti, a seconda della posizione in cui si trovano; per esempio: - la zona del trasferimento di potenza (tubo di sterzo, tubo obliquo, movimento centrale e foderi) deve essere molto rigida per ridurre al minimo lo spreco di energia in inutili deformazioni e massimizzare il trasferimento di potenza alla ruota posteriore ; - la zona dei foderi e del tubo sella, se adeguatamente progettata, è in grado di assorbire le sollecitazioni del terreno per offrire un maggiore comfort al corridore. Il FEM ha permesso di analizzare diverse possibili soluzioni per la forma dei tubi, ottenendo la soluzione migliore per le nostre esigenze. Durante l analisi il materiale reale non è stato simulato (l analisi non ha considerato il lay-up e le proprietà dei materiali reali), perché l obiettivo era l ottimizzazione della forma. 7

8 Asimmetria del telaio Ben conosciuta nel design Pinarello, l asimmetria delle sezioni migliora la simmetria (il bilanciamento) in risposta alle sollecitazioni. La trasmissione di potenza dalle gambe del corridore al mozzo della ruota posteriore avviene attraverso i pedali e le pedivelle, la guarnitura, la catena e i pignoni. La maggior parte di questi componenti è posizionata sul lato destro della bici, mentre la forza del corridore è applicata su entrambi i lati della bici. Trascurando le differenze fisiologiche di spinta tra gamba destra e sinistra, possiamo supporre che un corridore spinga su entrambi i pedali con uguale forza. Considerando una lunghezza della pedivella tra 170 e 175 mm e una corona di 53 denti, con formule semplici si può facilmente calcolare che la forza che agisce sulla catena è circa il 60% maggiore della forza prodotta dal corridore. Per fare un esempio, se la frequenza è di 1,5 Hz (90 pedalate al minuto) e la potenza espressa è di 250 W, la forza che agisce sul pedale è di circa 150 N, quindi, la forza sulla catena è circa 240 N. Quando si pedala a destra, queste due forze (spinta sul pedale e tiro della catena) agiscono contemporaneamente sul lato destro: il telaio si torce e il movimento centrale è spinto verso sinistra. Pedalando a sinistra, le due forze agiscono in modo opposto sui due lati: il telaio flette, ma in modo meno evidente poiché le forze (e quindi le deformazioni) sono opposte tra loro. È quindi chiaro quali siano le condizioni di carico asimmetriche che il telaio deve contrastare. Progettare e realizzare un telaio con forme asimmetriche permette di contrastare meglio le sollecitazioni e garantisce un comportamento più equilibrato e simmetrico, assicurando migliori prestazioni e una guida più sicura. Le immagini che seguono mostrano come il telaio fletta durante la pedalata. 8

9 Pedalata destra Pedalata sinistra Il concetto dell asimmetria è stato adottato sulle nostre biciclette da lungo tempo, ma, durante lo sviluppo di questo telaio, lo abbiamo nuovamente analizzato e migliorato. Fino al Dogma 65.1, l asimmetria era intesa sulle sezioni delle tubazioni: la metà destra della sezione era più grande di quello di sinistra. Le immagini sotto mostrano 2 esempi di sezioni del tubo obliquo del Dogma 65.1, dove il lato destro è maggiore del lato sinistro. 9

10 Con questa nuova bici abbiamo migliorato questo concetto, non solo modificando le sezioni, ma anche spostando i tubi del triangolo principale (tubo orizzontale, tubo obliquo e tubo verticale) verso il lato destro. Il FEM ci mostra che questa soluzione aumenta ulteriormente la rigidità del telaio e garantisce un comportamento più equilibrato. Le immagini sotto confrontano le sezioni del tubo obliquo del Dogma 65.1 (a sinistra) e Dogma F8 (a destra): è evidente che il tubo obliquo del Dogma F8 è spostato a destra. 10

11 Fibra di carbonio Torayca T1100 1K Prima di discutere circa il materiale, è essenziale chiarire alcuni concetti. Innanzitutto il nome: comunemente viene chiamato carbonio, ma il nome corretto è materiale composito. Si tratta infatti di una composito di fibre di carbonio/tessuti e di resina, e tutte le sue proprietà dipendono profondamente dalle proprietà delle fibre, dalle proprietà della resina, dal lay-up e dal metodo di produzione: se una sola di queste caratteristiche cambia, il comportamento del materiale sarà decisamente diverso. Le fibre possono essere utilizzate come semplici fasci o interlacciate in tessuti: questa scelta, tanto quanto il lay-up (cioè la direzione delle fibre), influenza sia il metodo di produzione e le prestazioni. Le principali proprietà delle fibre sono il Modulo elastico e la resistenza. Il modulo elastico, o modulo di Young, specifica la rigidità del materiale: maggiore è questo valore, più rigido sarà il materiale. La resistenza specifica la quantità di forza necessaria per romperlo: maggiore è questo valore, il più resistente sarà il materiale. Ad esempio, un nastro di gomma ha alta resistenza e basso modulo di elasticità: è facilmente deformabile, ma difficile da rompere. Al contrario, un fiammifero è molto rigido ma si rompe rapidamente se forzato: questo dimostra un elevato modulo di elasticità ed una bassa resistenza. Inoltre, una delle condizioni più pericolose per il materiale composito è quando è soggetto ad un impatto: maggiore è la resistenza, migliore sarà la reazione a questa condizione. D altra parte, la resina assume il ruolo fondamentale di compattare le fibre, trasferendo i carichi. Due importanti caratteristiche del materiale composito sono: elevati rapporti di rigidità su peso (E/ρ) e di resistenza su peso (σ/ρ) rispetto ai materiali tradizionali: la possibilità di rinforzare solo le zone maggiormente sollecitate, potendo così rimuovere inutile materiale dalle zone meno sollecitate. Il grafico sotto mostra le proprietà delle principali fibre Torayca: 11

12 Le fibre ad alto modulo (area rossa) sono molto rigide, ma non sono così forti come le migliori fibre ad alta resistenza. Le fibre ad alta resistenza (area verde) sono molto resistenti, ma non rigide come le fibre ad alto modulo migliori. Quindi la scelta ottimale utilizza una miscela di fibre di carbonio diverse, a seconda di dove queste siano utilizzate e delle prestazioni richieste. Nel nostro Dogma F8 la migliore fibra utilizzata è la nuovissima T1100G, che ha la resistenza a trazione più alta del mondo. Questa scelta contribuisce ad aumentare la resistenza agli impatti, per evitare rotture. Inoltre usiamo fibre di T1100G preimpregnate con una nuova resina con tecnologia Nanoalloy, che contribuisce a migliorare la resistenza all urto. Grazie all utilizzo della fibra con più alto grado siamo stati in grado di ottenere un telaio più leggero mantenendo inalterata la sua resistenza. Le fibre di T1100G sono state utilizzate nelle zone più alte stressate, al fine di sfruttare la incomparabile resistenza. La perdita di rigidità dovuta a questo nuovo materiale è stato recuperata modificando la geometria del telaio (soprattutto col nuovo concetto di asimmetria) e il lay up; le prove di laboratorio hanno confermato questa soluzione. Pre-processing Come accennato, la prima analisi è stata effettuata sul telaio del Dogma 65.1; questo ha fornito un punto di riferimento fisso per confrontare i dati successivi. Poi i risultati delle simulazioni successive sono stati confrontati con questo, valutando i benefici che ciascuna soluzione portava in termini di rigidità e peso. Per valutare le prestazioni di ogni geometria (forma e sezioni dei tubi), trascurando la variabile del materiale, abbiamo supposto che i telai siano stati realizzati con un materiale isotropo di spessore costante. Questa semplificazione ha permesso, da un lato di accelerare le analisi, dall altro di confrontare le prestazioni reali di ogni geometria. I carichi ed i vincoli applicati sono stati ricavati dalla normativa EN Racing bicycles - Safety requirements and test methods (2006). Le condizioni di carico corrispondevano a diversi angoli di pedivella, e altre condizioni, come ad esempio un carico verticale sulla sella. In aggiunta, anche la forcella è stata analizzata, simulando i carichi longitudinali o laterali. Processing Le analisi sono state eseguite in 2 fasi: analisi preliminare, in cui solo i tubi sono stati modellati, omettendo le zone di giunzione. Questa analisi, seppur molto semplificata, ha permesso da un lato una valutazione preliminare delle prestazioni dei diversi modelli, fornendo dati per le successive analisi, e dall altro di ridurre i tempi di modellazione e analisi. Questa semplificazione permette anche di analizzare profondamente l influenza della asimmetria sulle prestazioni; infatti, omettendo le zone di giunzione, è facile modellare molti prototipi differenti con i tubi spostati verso destra, confrontando le prestazioni e raggiungendo il miglior compromesso. 12

13 analisi avanzata, in cui i telai sono stati completamente modellati (ad eccezione delle forcellini posteriori), per avere una valutazione completa della performance. Queste analisi sono state eseguite una volta che le principali caratteristiche della bici erano state decise, per confrontare le prestazioni reali dei diversi telai. In totale abbiamo testato 35 differenti soluzioni possibili, con oltre 200 singole simulazioni FEM eseguite. Post-processing e analisi dei risultati I risultati di ogni analisi sono stati confrontati con gli altri, valutando il comportamento in termini di distribuzione delle tensioni e spostamento di alcuni punti di riferimento. Per confrontare i risultati, valutando la rigidità e il comportamento simmetrico, si definiscono due diversi indici: flessione totale, intesa come la somma degli spostamenti del movimento centrale per la pedalata destra e sinistra. Minore è questo valore, maggiore sarà rigidità del telaio; flessione media, intesa come la differenza degli spostamenti del movimento centrale per la pedalata destra e sinistra. Minore è questo valore, il più equilibrato sarà il telaio. L esempio qui sotto spiega meglio questi indici e come li abbiamo utilizzati durante la progettazione. Consideriamo 3 telai: Frame A Frame B simile alla precedente ma col tubo verticale e il tubo obliquo ruotati di 5 mm vicino al movimento e il tubo orizzontale ruotato di 10 mm verso destra Frame B2 uguale a Frame B ma con uno spessore inferiore del 3%. 13

14 I grafici precedenti mostrano che il telaio B è più rigido del telaio A, perché ha una flessione totale è inferiore; al contrario ha una flessione media superiore, il che significa che è meno bilanciato. Il telaio B2 ha invece una flessione totale di poco inferiore telaio A (cioè la rigidità è simile), e una flessione media inferiore, il che significa che è anche più equilibrata; inoltre, poiché lo spessore della parete è il 3% più sottile, è anche più leggero. Oltre ai dati numerici, le prestazioni dei telai sono state confrontate attraverso visualizzazioni e animazioni. Qui sotto un esempio degli spostamenti in condizioni pedalata destra. Sotto un esempio della distribuzione delle tensioni nella condizione di carico verticale sulla sella. È chiaro che gli stress sono meglio distribuiti sul Dogma F8 ed inoltre il picco di tensioni è inferiore. Il confronto finale tra Dogma 65.1 e Dogma F8 mostra che Dogma F8 è del 12% più rigida e il 16% più equilibrata, pur senza l apporto di materiale. Questi sono i risultati del confronto al FEM, e pertanto, dipendono solo dalla forma dei telai. Questi guadagni teorici sono stati usati per aumentare la rigidità e ridurre il peso del telaio reale. 14

15 3. Progettazione aerodinamica Introduzione al CFD Quando si corre su percorsi pianeggianti, circa l 80 % dell energia espressa dal corridore è usata per superare la resistenza aerodinamica che si oppone al moto. Di questa resistenza, il corridore influisce per circa il 75 %, il telaio e la forcella per circa il 15 %, mentre il restante 10 % dipende dagli altri componenti (ruote, manubrio, ecc.). È quindi evidente che ottimizzare il telaio e la forcella da un punto di vista aerodinamico riduce l energia spesa dal corridore. La resistenza aerodinamica è una forza, sempre opposta al moto, che può essere calcolata mediante la seguente relazione: Fd = ρ v2 Cd A dove ρ è la densità dell aria, A l area frontale della bici e del corridore, Cd un coefficiente che dipende dalla forma e dalla posizione di bici e corridore. Una volta fissati i parametri (A e Cd dipendono dalla bici e dal corridore), la resistenza aerodinamica dipende dal quadrato della velocità. Quando si corre su un percorso pianeggiante (dove la forza peso è trascurabile), e le velocità medie sono alte, questa è la forza principale da contrastare. Una corretta progettazione del telaio permette di ridurre l area frontale A e il coefficiente Cd, per minimizzare questa forza resistente, riducendo l energia spesa e migliorare le prestazioni finali. La Computational Fluid Dynamics, di solito abbreviata in CFD, è una branca della meccanica dei fluidi che usa metodi numerici e algoritmi per risolvere e analizzare i problemi che coinvolgono flussi di fluido. Utilizzando il software CFD durante la fase di progettazione abbiamo potuto analizzare le prestazioni aerodinamiche di soluzioni diverse, per evidenziare le zone che creano maggior resistenza e verificare la componente di ogni singola zona e componente (tubo obliquo, tubo orizzontale,..., freni, manubrio, ecc.) sulla resistenza complessiva. Ciò fornisce una bici con una ridotta resistenza aerodinamica. La funzione peso Prima di iniziare l analisi CFD abbiamo dovuto definire una funzione peso per confrontare correttamente e analizzare tutti i risultati. Per definire la funzione peso abbiamo iniziato a raccogliere dati sul vento. Sia la direzione del vento, sia la strada percorsa possono essere considerate casuali. Il nostro studio si è concentrato sulle mappe del vento e sui dati raccolti da 78 stazioni meteo per 10 anni. Questi database contengono informazioni sulla velocità media dei venti in alta quota (20 50 m); per rendere questi valori utili ai nostri studi, essi sono stati ricalcolati come se fossero misurati a 1 m dal suolo. Una volta nota la distribuzione delle velocità al suolo, si è proceduto a determinare la distribuzione degli angoli di imbardata (yaw), cioè abbiamo calcolato la funzione peso. Definiamo ora alcuni valori relativi alle velocità che agiscono sul corridore: Vr è la velocità del corridore; Vw è la velocità del vento; Vin (velocità di ingresso) è la velocità apparente data dalla somma delle due precedenti; αw è l angolo tra la direzione del vento e la direzione del corridore; αy è l angolo di imbardata, tra la velocità apparente e la direzione del corridore. 15

16 Utilizzando alcune relazioni vettoriali, abbiamo ottenuto come αy dipenda dagli altri valori. Fissata Vr = 14 m/s (50,4 km/h), abbiamo integrato la funzione per αw = e Vw = 0 20 m/s, ottenendo la distribuzione degli angoli di imbardata. Questa non è la probabilità che il vento soffi in una certa direzione (come detto in precedenza, questo è da considerarsi casuale), ma la probabilità che, una volta specificata la velocità del ciclista e la velocità del vento, il corridore sia investito da uno specifico vento apparente. I singoli valori di αy relativi ad ogni velocità Vw (per αw = ) sono stati moltiplicati per il peso/probabilità della velocità Vw e sommati a tutti quelli delle altre velocità. I valori ottenuti sono poi raggruppati all interno di intervalli specifici di angoli αy. La percentuale dei valori che sono in un intervallo specifico di αy (per esempio tra 0 e 4 ) dà il peso/probabilità di ogni angolo di imbardata. La tabella seguente mostra la distribuzione degli angoli di imbardata che abbiamo calcolato. La funzione di peso ci ha dato l opportunità di concentrare tutte le prestazioni della bici in un singolo numero che rappresenta l intero campo di moto. 16

17 Profili FlatBack Durante la fase di progettazione delle nuove sezioni dei tubi del telaio era essenziale utilizzare profili che minimizzassero la resistenza aerodinamica, pur mantenendo la rigidità necessaria. Per garantire la necessaria rigidità il tubo dovrebbe avere una specifica larghezza L (ad esempio, per il tubo obliquo, possiamo supporla vicino a 40 mm). Su un buon profilo aerodinamico (come un ala di aereo) il rapporto tra l altezza H e la lunghezza L è almeno di 8 a 1; in questo caso, per esempio, l altezza dovrebbe essere almeno di 320 mm). Il regolamento UCI, tuttavia, impone che il massimo rapporto tra queste due dimensioni sia 3 a 1. La prima ipotesi è dunque schiacciare il profilo riducendone l altezza (la larghezza L rimane fissa per preservare la rigidità): questa soluzione, però, annulla completamente le proprietà del profilo peggiorandone drasticamente l aerodinamica. Questo cambiamento infatti è tale da rendere il profilo tozzo, causando un distacco anticipato del flusso e una grande resistenza. Inoltre, oltre alla regola del 3 a 1, l UCI impone anche che la dimensione massima per il tubo sia di 80 mm. L alternativa quindi, anziché schiacciare il profilo, è quella di tagliarlo alla lunghezza corretta tenendo solo la parte anteriore. Questa soluzione, anche se fornisce prestazioni ridotte rispetto al profilo alare originale, fornisce una aerodinamicità molto meglio di quella ottenuta nell ipotesi di schiacciare la sezione. Aero Tube 8:1 Oval 3:1 FlatBack In base ai precedenti concetti, abbiamo usato i profili Flatback come sezioni per i nuovi tubi. Questa scelta garantisce sezioni che, da un lato assicurano la necessaria rigidezza (abbiamo mantenuto la larghezza richiesta) e dall altro consentono buone prestazioni aerodinamiche. 17

18 Pre-processing Prima di eseguire le analisi CFD, abbiamo preparato i modelli. Prima di tutto, abbiamo identificato diverse parti del telaio, come il tubo orizzontale, il tubo obliquo, ecc., e tutti gli altri componenti (freni, manubrio, ecc.). Poi abbiamo applicato una mesh di superficie in ogni singola zona. Le immagini sotto mostrano rispettivamente le diverse zone del telaio analizzate e un esempio della mesh. Tutti i componenti sono stati poi assemblati e il dominio attorno alla bici discretizzato con circa 50 milioni di celle del fluido. Le aree intorno alla bici sono state maggiormente raffinate. 18

19 Processing Abbiamo testato molti modelli differenti. Il primo ad essere analizzato è stato il Dogma 65.1, visibile qui sotto. Poi abbiamo modellato d analizzato una prima versione della nuova bici, che includeva alcune nuove soluzioni possibili. 19

20 Abbiamo continuato modellando altri 25 modelli simili, ciascuno diverso in una singola modifica, per distinguere i benefici che ogni singola soluzione comportava. Qui di seguito due esempi di modelli differenti, uno concentrato sull intersezione tra il tubo verticale e i pendenti, l altro con sezioni più grandi sul tubo obliquo per accogliere meglio la borraccia. Queste analisi ci hanno permesso di valutare l influenza di ogni singola parte sulla resistenza complessiva, e di trovare la migliore soluzione possibile. In parallelo, abbiamo eseguito un processo di ottimizzazione per il tubo verticale. Utilizzando un ottimizzatore parametrico, abbiamo fissato alcuni parametri sulla sezione del tubo in 3 punti. Il software ha modificato automaticamente le sezioni del tubo, cercando la forma che minimizzasse la resistenza. Qui di seguito alcune immagini di questi processo. Abbiamo effettuato più di 300 singole analisi CFD in totale. Questo ha genera un elevato numero di dati, che hanno dovuto essere mediati nel tempo prima della elaborazione finale. 20

21 Post-Processing & Results Il risultato di questo processo di analisi è stato riassunto ed analizzato in due modi: con alcuni grafici comparativi e con una serie di immagini e animazioni che mostrano concretamente l interazione tra bici e corridore ed il flusso d aria. Le tabelle elencano i valori numerici della resistenza su ogni componente e permettono di identificare il peso di ogni parte della bici e l influenza di ogni modifica apportata al modello iniziale. I valori di resistenza sono stati misurati sia sui componenti della bicicletta (telaio, forcella, manubrio, ecc.), sia sulle singole parti del telaio (tubo orizzontale, tubo verticale, tubo obliquo, ecc.). Così abbiamo individuato le aree più critiche e i benefici che ogni soluzione ha prodotto sulla bici. Di seguito un esempio di una tabella riepilogativa. In aggiunta, abbiamo messo a confronto i risultati attraverso immagini che mostrano il flusso d aria intorno al telaio. Qui di seguito alcuni esempi. Il colore rosso indica le zone ad alta pressione; il colore blu le zone a bassa pressione, che sono turbolente e creano resistenza. La nuova forma della sezione utilizzata nella forcella genera una zona di bassa pressione minore, riducendo la resistenza. DOGMA 65.1 DOGMA F8 21

22 Lo stesso vale per la zona del freno posteriore. Le seguenti immagini mostrano come l aria scorra in quella zona, e se si creano vortici e turbolenze. Come è visibile, l intersezione dei foderi verticali e del tubo verticale sul Dogma F8 è in una posizione inferiore: ciò riduce lo spazio permettendo un migliore flusso d aria. DOGMA 65.1 DOGMA F8 I risultati generali possono essere riassunti con il seguente grafico che mette a confronto in modo chiaro il Dogma 65.1 (linea blu) e il Dogma F8 (linea rossa): esso mostra come lo sviluppo della resistenza lungo il telaio. 22

23 Mentre si corre in bicicletta, l aria interagisce in primo luogo con la forcella. Osservando il grafico, per circa metà lunghezza degli steli della forcella, l originale Dogma 65.1 non vede alcuna resistenza dell aria. Il Dogma F8 va un passo oltre: grazie alle sezioni aerodinamiche utilizzate, derivate da quelle del Bolide, la forcella F8 agisce come una vela che tira in avanti la bicicletta in condizioni di vento laterale. Questo effetto è amplificato quando si corre in condizioni di vento forte. Per secoli il vento è stato un inevitabile resistenza che aumenta la fatica del corridore e ostacola le prestazioni. Incontrandolo con il Dogma F8 i ciclisti saranno ora in grado di sfruttarlo. Poi, finché l aria ha percorso metà strada lungo il telaio del Dogma F8 non si misura alcuna resistenza. Essa aumenta nei pressi delle borracce per entrambi i telai, tuttavia quando la resistenza del Dogma 65.1 continua a crescere dopo questo punto, la resistenza diminuisce quando l aria colpisce il tubo verticale del Dogma F8, per via delle sue sezioni trasversali appositamente disegnate. Dopo aver oltrepassato i freni posteriori, la forma piatta del grafico mostra che la F8 non genera ulteriore resistenza al flusso d aria. Questo dimostra che le sezioni posteriori dei foderi e dei pendenti sono effettivamente invisibili alla resistenza. Le proprietà aerodinamiche della F8 possono essere pienamente apprezzate solo quando si confrontano con quelle del Dogma 65.1, una bici già due volte vincitrice del Tour de France e la preferita di molti professionisti. Infine, abbiamo confrontato il rendimento aerodinamico del Dogma 65.1 e Dogma F8, per verificare se gli scopi iniziali fossero stati raggiunti. WHAT DOGMA F8 change (N) DOGMA F8 change (%) Bike only % Bike and Rider % Frame % Fork % Frame & Fork % I risultati del CFD mostrano una riduzione della resistenza dell aria del 17,5% sulla bici completa e prossima al 5% considerando bici e corridore. Se si guarda solo il telaio e la forcella, il nuovo Dogma F8 è circa il 47 % più aerodinamico del Dogma

24 4. Progettazione finale Soluzione globale Tutti i risultati ottenuti durante le analisi evidenziano molte possibili soluzioni in grado di migliorare le prestazioni della bici. Prima di procedere con la progettazione definitiva, abbiamo dovuto trovare il miglior compromesso tra diverse opportunità, in relazione agli scopi iniziali che ci eravamo prefissati. Ad esempio, alcune soluzioni avrebbero sicuramente migliorato l aerodinamica ma, allo stesso tempo, avrebbero aumentato il peso. L obiettivo principale del progetto è stato realizzare una bici che migliorasse tutti gli aspetti importanti, ottenendo una soluzione globale. Questo per offrire ogni corridore la miglior bici possibile in ogni condizione e di ogni percorso che affronterà. Made4you Ogni corridore è diverso ed unico, per via del suo corpo: qualcuno è più alto, qualcun altro più basso, qualcuno ha le gambe lunghe, ecc. Per questo motivo produciamo le bici in 13 diverse taglie, per accogliere adeguatamente ogni corridore sulla sua bicicletta. D altra parte Pinarello vuole garantire ad ogni corridore che la bici mantenga le stesse prestazioni, indipendentemente dalla sua dimensione. Per questo motivo, come fatto anche sulle precedenti bici, abbiamo applicato il concetto Made4you al nuovo Dogma F8. Ogni singola taglia del telaio è stata progettata e realizzata specificatamente: le misure più grandi sono rinforzate e sagomate in modo da sopportare le sollecitazioni più elevate; le taglie più piccole possono essere realizzate utilizzando meno materiale, con un risparmio di peso. Questo permette ad ogni corridore di guidare la propria Pinarello con le sue sensazioni e prestazioni. Nuove soluzioni I ragionamenti fatti finora ci hanno portato a definire le caratteristiche finali ed innovative che abbiamo implementato sul Dogma F8. In primo luogo, da un punto di vista strutturale, il concetto di asimmetria è stato evoluto: non abbiamo solo aumentato il lato destro delle sezioni dei tubi come fatto per le bici precedenti, ma abbiamo anche girato i tubi principali verso destra, con grande miglioramento della rigidità e del bilanciamento. Poi, per quanto riguarda l aerodinamica, l ottimizzazione delle sezioni dei tubi e l interazione tra tutti i componenti è diventata essenziale per poter sfruttare il vento laterale, riducendo notevolmente la resistenza totale dell aria. Questi sono solo i principali concetti implementati, ma molte sono le caratteristiche innovative che caratterizzano la Dogma F8. 24

25 DOGMA F8 highlights Tubo verticale e tubo obliquo sono profondamente asimmetrici, sia per la sezione sia per la posizione, per dare una bici più rigida e più equilibrata. Tubo orizzontale asimmetrico. Triangolo posteriore asimmetrico per aumentare la rigidità laterale. Nuovi profili ONDA F8, evoluzione dell Onda2, per aumentare l assorbimento delle asperità ed il comfort. Zone a bassa pressione 25

26 DOGMA F8 highlights Pendenti incurvati per aumentare l assorbimento verticale. Bloccaggio sella integrato TwinForce che migliora l aerodinamica e riduce il peso, assicurando nel contempo grandi capacità di serraggio. Freno posteriore nascosto al flusso d aria grazie alla forma dei foderi verticali: poiché il freno è asimmetrico, così anche i foderi posteriori verticali sono asimmetrici. La forcella è studiata per riprendere la forma del freno anteriore, in modo da proteggerlo dal flusso d aria. Zone a bassa pressione Nuovi profili aerodinamici ottimizzati utilizzati sulla forcella, derivati da quelli utilizzati per la Bolide. 26

27 DOGMA F8 highlights Profili FlatBack che garantiscono il miglior compromesso tra aerodinamica e rigidità. Nuovo reggisella, con riduzione della resistenza aerodinamica e del peso. Tubo di sterzo molto affusolato, che migliora le prestazioni aerodinamiche. Tubo di sterzo spostato in avanti per consentire una forma più aerodinamica. Zone a bassa pressione 27

28 DOGMA F8 highlights Tubo obliquo sagomato per nascondere la borraccia dal flusso d aria. Tubo di sterzo spostato in avanti per consentire una forma più aerodinamica 2 posizioni per il porta borraccia sul tubo verticale: la più bassa migliora l aerodinamica, la più alta migliora l accessibilità e il comfort. Uscita del cavo cambio dietro al forcellino, per migliorare l aerodinamica e Zone l estetica. a bassa pressione 28

29 DOGMA F8 highlights Forcellini in carbonio, sia per forcella e telaio, per ridurre il peso. La tecnologia Think2 per consentire un rapido cambio tra i gruppi meccanici ed elettronici. Movimento centrale a filetto italiano, sinonimo di rigidità e prestazioni di lunga durata. Supporto del deragliatore anteriore rimovibile, per facilità di manutenzione e peso ridotto in caso di percorso pianeggiante. 29

30 DOGMA F8 highlights Batterie per i gruppi elettronici alloggiate all interno del tubo verticale e del reggisella, rispettivamente per Campagnolo e Shimano. La parte alta del tubo sterzo assicura lo spazio necessario per i controller dei gruppi elettronici. Zone a bassa pressione 30

31 Prototipo in Rapid Prototyping Una volta che sono state definite le caratteristiche principali del modello CAD, prima di procedere con la produzione degli stampi, abbiamo prodotto un modello in Rapid Prototyping. La prototipazione rapida è un insieme di tecniche utilizzate per fabbricare rapidamente un modello in scala di una parte fisica o di un insieme utilizzando disegni CAD 3D. La costruzione della parte o dell assieme di solito è fatta usando la stampa 3D. Abbiamo realizzato un esempio in scala reale. Questo ci ha consentito, da un lato, di valutare le dimensioni reali, la qualità delle superfici e l estetica del telaio, dall altro, di verificare il montaggio completo della bicicletta e dei componenti. Infine, utilizzando questo prototipo RP, abbiamo facilmente potuto definire alcuni dettagli, altrimenti difficili da verificare durante la progettazione, come ad esempio la posizione dei fori per il passaggio interno dei cavi. 31

32 5. Tests Test strutturali Una volta che sono stati prodotti i primi campioni, li abbiamo testati nel nostro laboratorio per valutare le prestazioni reali e verificare i risultati ottenuti durante la fase di progettazione. Abbiamo effettuato molti test differenti in condizioni simili a quelle di una reale corsa su strada. Peso: sono stati pesati sia i telai che le forcelle, per verificare il miglioramento dato dal materiale e dalla nuova forma; Rigidità: abbiamo effettuato prove statiche e di fatica, simulando le condizioni di carico che di solito occorrono durante la corsa. Ognuna delle prove di fatica eseguite sforzava il telaio per più di cicli, simulando condizioni di pedalata, di frenata, di carico verticale, ecc.; Resistenza: abbiamo testato se telai e forcelle resistono agli urti senza alcun danno. In particolare, li abbiamo testati con il test di massa cadente (22,5 kg di massa che cadono sulla forcella e sul telaio) e con il test di telaio in caduta (telaio e la forcella, caricati con 70 kg sul tubo sella e fissati sul mozzo posteriore, ruotano e impattano il terreno col mozzo anteriore). Questi test, da un lato quantificano numericamente le prestazioni della nuova bici, per paragonarla alla precedente, dall altro lato verificano la sicurezza della bici. I risultati dei test sono stati confrontati anche con i risultati FEM, per verificarli e convalidarli. Dal confronto tra Dogma F8 e Dogma 65.1 i risultati mostrano grandi miglioramenti in ogni condizione; la tabella seguente conferma alcuni di questi. Frame Only Weight (gr.) -80-9,1% total deflection (mm) average deflection (mm) Dogma F8 compared to Dogma ,1% ,3% I risultati sopra elencati sono relativi alla taglia 54. La flessione totale e la flessione media sono gli stessi indici utilizzati per valutare i risultati del FEM: il primo contraddistingue la rigidità, la seconda il bilanciamento del telaio. Il telaio Dogma F8 è il 9% più leggero, il 28% più rigido e il 47% in più equilibrato rispetto al telaio Dogma 65.1; questi guadagni sono il risultato del nuovo materiale e della nuova forma adottata. Rispetto ai risultati FEM, essi sono leggermente diversi: questi infatti sono i risultati dei test reali, perciò dipendono dalla forma e dal materiale. In ogni caso, sia il FEM che i risultati dei test di laboratorio mostrano un andamento simile e grande miglioramento complessivo. 32

33 Test in galleria del vento Abbiamo anche testato le prestazioni aerodinamiche della bicicletta reale attraverso test in galleria del vento. Questo ci permette di validare i risultati del CFD e confrontare bici diverse. Per confrontare con precisione questi risultati con il CFD, tutte le bici testate avevano gli stessi componenti di quella usata per il CFD. Inoltre le abbiamo testate utilizzando sia un manichino 3D come quello utilizzato per il CFD sia un corridore reale. Abbiamo eseguito test a 2, 10 e 18 di angolo di imbardata, misurando la resistenza generata dalla bicicletta e dal manichino/corridore; in seguito i risultati sono stati ricalcolati attraverso la funzione peso. Abbiamo testato tre diverse bici ed i risultati sono riassunti qui sotto: Yaw Angle DOGMA 65.1 DOGMA K ,9% -11,6% ,1% -21,1% ,2% -30,8% Weigh.Avg. -26,1% -20,0% La tabella precedente elenca la variazione percentuale della resistenza generata dal Dogma F8 rispetto ad altre bici Pinarello (questi risultati sono relative test con la sola bici). Considerando il valore medio, ottenuto attraverso la funzione peso, il nuovo Dogma F8 è il 26% più aerodinamico del Dogma 65.1 ed il 20% in più aerodinamico del Dogma K Il grafico precedente, che mostra la resistenza a diversi angoli di imbardata, evidenzia un fenomeno interessante: sia per il Dogma 65.1, sia per il Dogma K 2015, man mano che l angolo di imbardata aumenta, così la resistenza aumenta; questo è ciò che accade di solito con qualsiasi bici. Con il nuovo Dogma F8 invece, via via che l angolo aumenta, la resistenza diminuisce: questo significa che in condizioni di vento laterale il telaio sfrutta il vento piuttosto che soffrirlo. Questa è un ulteriore convalida dei risultati del CFD. 33

34 Variazione percentuale tra Dogma 65.1 e Dogma F8 Complete Bike only Complete Bike and mannequin Yaw Angle CFD WIND TUNNEL CDF WIND TUNNEL -2-12,3% -12,9% -4,6% -4,2% ,8% -24,1% -6,6% -7,1% ,4% -45,2% -6,5% -8,9% Weigh.Avg. -17,5% -26,1% -4,9% -6,4% La tabella precedente mette a confronto le variazioni percentuali tra il Dogma 65.1 e il Dogma F8 ottenute attraverso il CFD e i test in galleria del vento. Sembra che i risultati tra questi due test siano differenti: questo dipende dalla differenza concettuale tra le prove. Il CFD è infatti un utile strumento di sviluppo; permette al progettista di verificare passo per passo come procede il progetto. La galleria del vento è molto più vicina alla realtà ed analizza come la bici funzionerà nel mondo reale. Un semplice confronto numerico è errato perché i test sono profondamente diversi: l importante è che i risultati mostrino un andamento simile, assicurando grandi miglioramenti, così come è. 34

35 Test su strada Contemporaneamente ai precedenti abbiamo eseguito i test più importanti e veritieri possibili: le prove su strada. Queste prove verificano le prestazioni della bici nelle condizioni reali, assicurando risultati sinceri. Corridori professionisti, come Chris Froome, hanno testato la bici riportando ottime sensazioni e feedback. 35

36 Cicli Pinarello SpA Viale della Repubblica Villorba (TV) Italy tel fax