Applicazione di Reverse Engineering nel Motorsport TITLE: Studio ergonomico per lo sviluppo di una nuova leva del freno in ambito motociclistico INTRODUZIONE La frenata o staccata, come si dice in gergo, rappresenta nel mondo delle competizioni motociclistiche il momento in cui un pilota può fare la differenza rispetto ad un altro. Qualcuno ricorderà la staccata all'ingresso del Motodrom di Hockenheim, quando nel 1991 Kevin Schwantz superò Wayne Raney in pieno disaccordo con le leggi della fisica, con la Suzuki del texano che scodava a destra e a sinistra... Kevin Schwantz (34) e Wayne Raney (1) Il modo di frenare è una caratteristica estremamente personale, c'è chi preferisce agire con forza sulla leva del freno, chi invece è più graduale nell'azionamento del comando. Per questo il feeling del pilota con il veicolo in frenata è una delle cose più importanti nella guida in pista, poiché fornisce la sicurezza inconscia di potersi fermare. Nel 2008 CRP Racing mette in pista tre prototipi nel Campionato Italiano Velocità (C.I.V) e nel Trofeo Honda RS125GP. Le moto sono di derivazione Honda RS 125 GP e sono equipaggiate con la miglior componentistica disponibile sul mercato. Per rendere l idea dell'importanza del feeling tra pilota e mezzo, nelle competizioni motociclistiche in genere, ma soprattutto nella classe 125 riportiamo alcuni dati tecnici della moto condotta da Riccardo Moretti pilota 2007 e 2008 di CRP Racing. 1
Honda RS125GP Peso a secco 75 kg Potenza indicativa > 50 cv (36,7 KW) a 12,900 giri/min Motore 2 tempi Numero di cilindri 1 Sistema di alimentazione Lamellare Sistema di scarico Power valve (CIV) / Std (Trofeo Honda) Sistema Gestione Motore CRP EDR (Electronic Data Recorder) Numero di marce 6 Frizione A bagno d olio Telaio Honda Forcelle Ohlins Ammortizzatori di sterzo Honda Impianto Frenante Brembo Cerchi Marchesini Capacità del serbatoio 13,5 l Telemetria CRP EDR (Electronic Data Recorder) Riccardo Moretti 2
età 23 peso peso vestito (tuta, casco, stivali, guanti) altezza IL PROBLEMA E LA SOLUZIONE IN SINTESI 57 Kg 67 Kg 170 cm Al crescere della esperienza in pista e della performance della moto, il pilota richiede un adeguamento del set-up del mezzo. Una soluzione collaudata può quindi rivelarsi all'improvviso fonte di disagio e può essere migliorata. In dettaglio, rispetto alla stagione 2007 Moretti è migliorato molto in fase di staccata ed ha richiesto una modifica della leva del freno anteriore che non lo soddisfaceva nelle frenate più aggressive. Questo problema è poi maggiore sui circuiti in cui viene impiegato il doppio disco freno anteriore, una soluzione che prevede l'utilizzo di due dischi di diametro ridotto al posto di uno solo di grande diametro: questa soluzione migliora la stabilità del veicolo in frenata, non torcendo la forcella, ed aumenta la guidabilità nei cambi repentini di direzione. Una volta assimilati i vantaggi del sistema bidisco il pilota ha richiesto una frenata ancora più aggressiva. La soluzione più immediata consiste nel montare sull'impianto bidisco dischi di maggior diametro, che però peggiorano la guidabilità, oppure di sostituire la pompa. Per mantenere la intercambiabilità della pompa tra il sistema monodisco e quello bidisco, si è pensato di aumentare la pressione dell'impianto frenante senza aumentare lo sforzo sulla leva, ma modificando la leva stessa. 3
Freno anteriore monodisco (in primo piano) e bidisco (in fondo) CRP Technology in partnership con CRP Racing, sfruttando la tecnologia del Reverse Engineering, ha rilevato e modellato le leve standard del freno anteriore e, cosa inedita, la forma della mano del pilota al momento della frenata, ed ha creato in pochi giorni una leva ad hoc per Riccardo Moretti. LA FRENATA NEL RACING Tutti i piloti frenano violentemente prima della curva con due sole dita della mano (per tenere saldamente il manubrio con le dita restanti) e poi rilasciano progressivamente la leva inserendo la moto in curva. La leva del freno solitamente utilizzata da Moretti è una leva standard corta. 4
Leva standard corta : posizione della mano in frenata Come si può vedere dall'immagine che segue la forma della leva è però importante anche durante la conduzione della curva, momento in cui il pilota va a cercare la leva con il dito, come ad essere sempre pronto ad una correzione di traiettoria o ad una frenata di emergenza. Leva standard corta : posizione della mano in curva LA SOLUZIONE STANDARD E IL PROBLEMA Per incrementare la potenza frenante, a parità della forza esercitata dalla mano del pilota che è in posizione fissa, si è soliti spostare la posizione del pompante verso il centro della moto, in pratica allungando la leva. Lo schema sotto riportato evidenzia l'equilibrio dei momenti: la forza trasmessa alla pompa del freno (F pump) è direttamente proporzionale alla lunghezza della leva (L hand); la forza che il pilota applica alla leva con la mano (F hand) viene quindi moltiplicata grazie al leveraggio di una quantità pari a L hand/l pump. 5
Freno anteriore: equilibrio delle forze Il fornitore prevede quindi una leva di serie, che definiremo standard lunga, che in teoria risponde a questa necessità di incremento della potenza frenante, a parità della forza esercitata dalla mano. A livello antropometrico, Moretti si distingue però per una lunghezza delle dita inferiore alla media per cui la posizione di riposo della leva, che è registrabile, deve essere molto vicina alla mano del pilota. Freno anteriore: registrazione della leva attorno al perno di rotazione 6
Durante i test in pista, al momento delle frenate più violente, Moretti ha lamentato il verificarsi di una situazione di pericolo assolutamente da evitare. La leva del freno arrivava talmente vicino alla manopola, da schiacciare le due dita in presa sul manubrio e in alcuni casi a toccare l'involucro del comando del gas. In quel momento il pilota, sentendo che non è più in grado di frenare ulteriormente, perde inevitabilmente la concentrazione: a livello inconscio non cadere è sempre più importante che segnare un buon tempo al termine del giro. LA SOLUZIONE INNOVATIVA Per risolvere il problema si è deciso di sfruttare il Reverse Engineering. Le tecnologie di Reverse Engineering costituiscono oggi uno strumento indispensabile per comprimere i tempi di progettazione ed ottenere prodotti di qualità elevata. Partendo dalla digitalizzazione di un modello fisico è possibile generare un modello CAD 3D che costituisce il punto di partenza per lo sviluppo di un nuovo prodotto. CRP Technology dispone di un sistema di scansione ottica è un braccio a 7 assi Faro Platinum provvisto di sensore ottico Faro Laser Line Probe. Il sistema è completamente portatile e permette di eseguire scansioni 3D e misure presso il cliente. L utilizzo combinato del braccio a sette assi e dell ottica laser consente di eseguire misure a contatto o scansioni ottiche in simultanea, all interno dello stesso sistema di riferimento. La leggerezza dello strumento ed il numero elevato di gradi di libertà rendono veloci ed affidabili anche i rilievi di parti complesse e difficilmente accessibili. E' stato quindi chiesto a Riccardo Moretti di assumere la posizione di guida su di una moto piazzata in prossimità dello scanner laser. Grazie alla scansione ottica eseguita sulla mano del pilota nelle due configurazioni di guida, conduzione in curva e frenata, è stato possibile portare in ambiente CAD tridimensionale il set-up preferito dal pilota. 7
Scansione ottica laser della mano del pilota Scansione ottica della mano del pilota: laser line dello scanner sul guanto del pilota L'immagine che segue mostra alcuni componenti standard Honda, che sono stati rilevati grazie alla scansione ottica e poi modellati: semi-manubrio, manopola, comando gas rapido, pompa freno e leva standard corta. Il valore aggiunto a questo primo rilievo è la possibilità di vedere a livello tridimensionale la posizione della mano preferita dal pilota nelle due configurazioni di guida. 8
Leva standard corta : conduzione Leva standard corta : frenata In una seconda fase è stata rilevata la leva standard lunga. Poi in ambiente CAD è stata posizionata in modo da essere confrontata con la leva corta. Registrando la leva in modo che fosse nella configurazione di conduzione richiesta dal pilota, ci si è resi conto che la pompa poteva essere spostata, per aumentare la potenza di frenata, solo di pochi millimetri. Le leve standard corta e lunga si differenziano infatti molto nella parte 9
terminale, che nel caso di Moretti è inutilizzata, mentre la distanza tra il perno di rotazione e la zona di presa di indice e medio è praticamente la stessa. Leva standard corta (azzurro-blu) e leva standard lunga (arancio-rosso): registrazione sul set-up richiesto dal pilota Se invece si sposta tutto il gruppo della leva lunga verso il centro del veicolo (pompa freno e leva), si sacrifica la posizione di conduzione preferita dal pilota, in cambio di una frenata più potente. 10
Leva standard corta (azzurro-blu) e leva standard lunga (arancio-rosso) in posizione traslata In questa configurazione della leva lunga si verificano, a livello CAD, i due problemi lamentati da Moretti durante i test in pista vale a dire il possibile schiacciamento di anulare e mignolo ed il contatto accidentale tra la leva e il comando del gas, con conseguente fine obbligata della frenata. Leva standard lunga : lo schiacciamento delle dita in presa sul manubrio 11
Leva standard lunga : rischio di interferenza con il comando gas Dopo aver analizzato la funzionalità ed i modelli 3D delle leve standard corta e lunga si è deciso di realizzare una leva CRP lunga che fosse ergonomica per il pilota come la leva corta e che fornisse una forza frenante simile a quella che ci si attendeva della leva lunga. La geometria che ne scaturisce (nelle immagini di seguito in grigio) è un ibrido che ricalca la leva standard corta nella zona di presa, e che poi si raccorda con una posizione della pompa traslata verso il centro del manubrio. Leva standard corta (azzurro-blu) e leva CRP lunga (grigio) 12
Leva standard corta (azzurro) e leva CRP lunga (grigio) La nuova leva deve fornire prima di tutto un aumento della forza trasmessa alla pompa del freno. Una verifica immediatamente eseguibile in ambiente CAD mostra che la leva di azione L hand della forza della mano varia coma segue: leva standard corta = 95.3 mm leva standard lunga = 110.7 mm leva CRP lunga = 117.4 mm Ciò significa che se utilizzando la leva standard lunga si ha un incremento di forza Fpump del 16%, con la leva CRP lunga si arriva al 23%. 13
Posizione della pompa freno per leva standard corta (blu), leva standard lunga (rosso), e leva CRP lunga Per una validazione sul campo della geometria, e per le verifiche delle eventuali interferenze della nuova leva con le dita e con il comando gas è è stato realizzato da CRP Technology, mediante Selective Laser Sintering, un prototipo in Windform GF (poliammide caricato con fibre di vetro e alluminio). Il prototipo è servito per validare la geometria e per suggerire alcuni ritocchi di alleggerimento. La leva CRP è stata poi fabbricata in alcuni pezzi nel materiale commerciale Ergal 7075 partendo da una lastra tramite le seguenti fasi: taglio mediante elettroerosione a filo, foratura e alesatura, finitura manuale dei raggi, anodizzazione nera. La leva definitiva è stata montata sul veicolo ed è stato effettuato un secondo rilievo di controllo, che mostrasse anche in ambiente CAD la forma della mano di Moretti nell'utilizzo della leva CRP lunga. 14
Leva CRP lunga : controllo interferenza con il comando gas Leva CRP lunga : controllo schiacciamento delle dita in presa sul manubrio 15
Leva CRP lunga : verifica della funzionalità Le due ultime immagini mostrano la medesima configurazione, in ambiente CAD 3D e nella realtà. Le fasi di questo case study si possono infine visualizzare mettendo a confronto le due leve standard, il prototipo e la leva realizzata da CRP Technology. 16
Confronto tra le differenti leve CONCLUSIONI In tutti i campi, dalla meccanica all'industrial design, è raro che per sviluppare un nuovo componente si parta dal foglio completamente bianco, soprattutto nei casi in cui si voglia migliorare un componente affidabile e collaudato. Il Reverse Engineering si è dimostrato uno strumento rapido ed efficace per ricondurre un problema dalla pista al video del progettista, e per soddisfare una richiesta del pilota. Infine, dato che in ambiente racing il tempo è il principale avversario da battere, sia in pista che nello sviluppo di nuove soluzioni, indichiamo i tempi realizzazione delle varie fasi del progetto (in ore lavorative): scansione ottica e modellazione CAD leve standard: 4 ore piazzamento veicolo, scansione mano + leve standard su veicolo: 4 ore modellazione leva CRP lunga step1: 8 ore rapid prototyping in Windform GF: 8 ore montaggio prototipo su veicolo, correzioni CAD e validazione geometria: 8 ore 17
produzione leva definitiva CRP lunga : 16 ore Totale: 48 ore corrispondenti a 6 giorni lavorativi. Leva CRP lunga sulla moto di Riccardo Moretti, pronta per la gara La leva realizzata da CRP è stata impiegata da maggio 2008 da Riccardo Moretti e ad oggi è sempre stata preferita alle leve standard. 18