CONCORSO PER IDEE PROGETTUALI FISICA IN MOTO

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1 CONCORSO PER IDEE PROGETTUALI FISICA IN MOTO Progetto di macchinari didattici interattivi Simulatore del momento giroscopico del motoveicolo con perdita di aderenza sulla ruota posteriore 1

2 Partecipante: - Di Pasquale Angelo, laureato in Ingegneria Aerospaziale ed iscritto al primo anno della Laurea Specialistica in Ingegneria Aeronautica, indirizzo Aerodinamico, all Università degli Studi di Roma La Sapienza. Indirizzo: Via Senofane n 11, Latina Scalo (LT). Telefono: angelo.di_pasquale@alice.it 2

3 1. Descrizione del Progetto Il meccanismo progettato è situato al di sotto della pedana ove si posiziona la moto e l operatore dell esperimento. Tramite due motori elettrici montati solidalmente agli assi delle ruote, le ruote stesse vengono messe in movimento ad una velocità prefissata. L operatore ruota il manubrio della moto e, tramite la rotazione delle ruote si genera un momento giroscopico che fa piegare la moto nella direzione dove si è ruotato il manubrio. Arrivato ad un certo angolo di piega rispetto alla verticale, la ruota posteriore perde aderenza scivolando verso la direzione opposta a quella di piega. 2. Descrizione fenomeno fisico I fenomeni che si cerca verosimilmente di descrivere sono, per l appunto, il momento giroscopico, generato dalle ruote in rotazione, e la perdita di aderenza del pneumatico posteriore. Il momento giroscopico viene generato dalla rotazione del manubrio, successivamente alla messa in rotazione di entrambe le ruote attraverso due motori elettrici montati in corrispondenza dei mozzi delle ruote e solidali con i loro assi. Attraverso l insorgere del momento giroscopico, la moto tenderà ad inclinarsi nel verso in cui si è ruotato il manubrio. Fig.1 - Effetto giroscopico e sterzata. Se ci si riferisce al caso normale in cui la moto si trova a percorrere una curva a velocità costante, e si prende come riferimento il suolo, sulla moto si avrà il bilancio tra forza d attrito, tra pneumatico ed asfalto, e forza centrifuga generata dalla percorrenza della curva. 3

4 Fig.2 - Veicolo in curva con raggio di curvatura, traiettoria e forza centrifuga. Fig.3 Equilibrio del veicolo in piega. Passando ad un riferimento solidale al motoveicolo, questo risulta non inerziale rispetto al riferimento preso in considerazione precedentemente, e sparisce l effetto della forza centrifuga. Per continuare su questa linea, e perciò dare una spiegazione logica dell effetto che si vuole ottenere, si è preso in considerazione la teoria sul cono d attrito: Fig.3 Cono d attrito. 4

5 dove si ha con A M la massima forza resistente al moto, con R N la forza verticale che nel nostro caso è la percentuale di peso esplicata dalla ruota posteriore, ed in fine A è la forza applicata. Con tgφ si identifica il coefficiente d attrito. Si ha perdita di aderenza quando si raggiunge la condizione A>A M e di conseguenza il pneumatico scivola dalla parte opposta a quella della direzione della curva. 3. Descrizione del meccanismo Il punto cardine di questo progetto è la simulazione dei fenomeni fisici appena descritti su di una moto reale. Il progetto del macchinario è stato basato sulla conformazione della per il seguente motivo. Il movimento di rollio è stato simulato tramite un tubo in acciaio posizionato in corrispondenza dell asse che congiunge i punti di contatto tra ruote e terreno. Il collegamento tra questo tubo di acciaio e la moto (non rappresentato per mancanza di misure) si è pensato tramite tubi di acciaio saldati al su detto tubo e collegati alla struttura portante della moto stessa. Il modello ideale è quello della in quanto la struttura sorregge tutti i vari componenti (motore, forcella anteriore, forcellone posteriore) e non il modello Monster che ha il motore come parte strutturale dove si collega il forcellone posteriore e la stessa struttura. Il punto è che si è pensato ad un veicolo uscito dalla produzione e utilizzato per questo simulatore, anche se si volesse togliere il motore per vari motivi, il progetto rimarrebbe comunque valido. Fig.4 Collegamento struttura-meccanismo. 5

6 Rimanendo ancora sul tubo che permette il rollio, questo può ruotare attraverso una coppia di cuscinetti a sfere, le cui caratteristiche sono riportate di seguito: Fig.5 Cuscinetto a sfere. 6

7 Il tubo è filettato alle estremità per poterlo bloccare con dadi del tipo Fig.6 Dadi. e per poter garantire il fatto che il tubo non esca dalla sede di lavoro. Il tubo che permette il moto di rollio inoltre può muoversi lungo il piano orizzontale contenente l asse stesso di rollio, attraverso il collegamento rigido (ottenuto sempre con tubi di acciaio saldati) ad un secondo tubo posizionato al di sotto di esso e che può muoversi, o meglio ruotare, su di un piano orizzontale, con il perno corrispondente all asse passante per il punto d appoggio della ruota anteriore al suolo. Questo tubo fa sì che la simulazione di perdita di aderenza possa realizzarsi in sicurezza, visto che l estremità del tubo può spostarsi di massimo 15 cm sia dalla parte destra che sinistra. Fig.7 Meccanismo di perdita di aderenza. Bisogna far presente che si devono considerare anche dei supporti al lato della moto che vincolino il rollio della moto stessa ad angoli massimi di 45 sia a destra che a sinistra, tramite dei respingenti in acciaio con la parte di contatto, tra respingente e moto, in materiale ammortizzante, in modo tale che l operatore, dopo aver messo in crisi l aderenza del pneumatico posteriore, non finisca a terra con il rischio di farsi male. 7

8 Passiamo ora ai supporti su cui poggiano le ruote e che simulano l avanzamento del suolo. Fig.8 Supporto ruote. I due rulli folli su cui poggiano le ruote e simulano l avanzamento del terreno sono già comprensivi di cuscinetti al loro interno. Per i calcoli della perdita di aderenza si è preso in considerazione un coefficiente d attrito relativo al contatto tra pneumatico e asfalto. Essendoci qui contatto tra pneumatico e acciaio, questo coefficiente è sicuramente minore, a meno che, si è pensato di rivestire i rulli di un materiale adesivo che ripropone abbastanza fedelmente la superficie dell asfalto, riportandoci molto vicino alle condizioni del calcolo effettuato. I due supporti dove poggiano le ruote sono identici, cambia solamente il tipo di ancoraggio alla struttura che poggia a terra. Quello posto sotto la ruota posteriore è ancorato alla struttura tramite il tubo d acciaio filettato posto al di sotto del supporto stesso. Fig.9 Ancoraggio supporto posteriore. 8

9 Per il supporto anteriore invece, oltre a garantire la rotazione della ruota, deve garantire il movimento del manubrio della moto. Per fare ciò, nel supporto dove si è ancorato precedentemente il supporto posteriore dove poggia la ruota, si è posizionato un cuscinetto a rulli, per garantire la rotazione del manubrio e contestualmente la resistenza del meccanismo. Fig.10 Cuscinetto supporto ruota nteriore. 9

10 Riportiamo per completezza i due supporti dove vengono ancorati i due supporti con i rulli dove poggiano le ruote. Fig.11 Ancoraggio posteriore. Fig.12 Ancoraggio anteriore con alloggiamento cuscinetto. Il tutto è collegato da lastre di acciaio per garantire resistenza e rigidezza del meccanismo stesso. Di seguito è riportato il macchinario completo dove la piattaforma verde riporta le dimensioni massime che si dovevano rispettare, ovvero 3x3 m. 10

11 Fig.13 Meccanismo con pedana visto da sopra. Fig.14 Meccanismo con pedana visto da sotto. 11

12 Fig.15 Esploso del meccanismo. 4. Ulteriori miglioramenti Un ulteriore fenomeno da poter osservare e sperimentare è l influenza dello spostamento verticale del baricentro del sistema veicolo-operatore procedendo nel modo seguente. Il motore della moto non viene incluso nel macchinario e perciò viene tolto e rimpiazzato da dei pesi che hanno la medesima massa con un foro passante. Si saldi un perno d acciaio forato a intervalli regolari sul tubo che permette il rollio, in posizione normale all asse di rotazione, e si inserisca la massa che sostituisce il motore. Facendo variare l altezza della massa stessa sul perno appena saldato, varia la posizione del baricentro del sistema, facendo percepire all operatore una diversa maneggevolezza del veicolo durante la simulazione. 12