MotoTecnica_Gennaio-Febbraio_2010-Sxv-GP

TEoriA e innovazione
REVERSE SUPERTWIN
Sullo scorso numero
di Moto Tecnica vi
avevamo presentato
in breve il progetto
Alemoto SXV-GP: una
leggera Supertwin
spinta dal motore
Aprilia SXV 550.
Scendiamo ora nei
particolari del
complesso lavoro di
reverse engineering
condotto dal team
lombardo.
114 FEBBRAIO
S
ullo scorso numero di Moto Tecnica introducevamo il progetto Alemoto SXV-GP, nell’ambito dello
speciale Supertwins 2009. In questa sede,
dato il notevole lavoro di reverse engineering e progettazione, condotto per giungere alla definizione finale del motociclo, vogliamo dare ampio spazio a tutta la fase di
studio che ha preceduto la costruzione
della moto. Al momento di andare in stampa, la SXV-GP è ancora in fase di allestimento, ma presto emetterà il primo vagito
sul banco, cui seguirà un intenso lavoro di
sviluppo in pista.
Il team Alemoto è formato da 12 persone
ognuna con competenze specifiche, unite
da una grande passione per il mondo del-
le moto. L’idea di progettare una moto con
ciclistica di una 125 ed un motore quattro
tempi risale al 2007, anno in cui il motore
Aprilia dominava nelle competizioni del
mondiale supermoto. Nasce quindi l’idea
di sfruttare nelle competizioni su pista i vantaggi offerti da un motore bicilindrico con
un vantaggioso rapporto peso potenza.
Il nome scelto per questo progetto è SXVGP, ed è una moto prototipo realizzata associando ad una ciclistica 125 S.P. un
performante motore Aprilia di 550 cm3,
derivato dalle competizioni del mondiale
supermoto. Con tale prototipo il team Alemoto intende partecipare al Trofeo Supertwins 2010 – Coppa FMI.
Il progetto Sxv-Gp muove i primi passi nel
novembre del 2008, iniziando una collaborazione con il Politecnico di Milano, il quale ha messo a disposizione le competenze
dei propri ingegneri oltre alle rinomate attrezzature presenti nei numerosi laboratori.
Le fasi che hanno portato alla realizzazione
di tale prototipo sono state seguite con
Testo e immagini: Marco Caccianiga
Progetto Alemoto SXV-GP
TEorIA e innovazione
ANALISI CFD (Fluidodinamica numerica)
Noti gli ingombri dei principali componenti quali telaio
forcellone e serbatoio, si prosegue con la modellazione
dei componenti che hanno
funzione aerodinamica quali
carene laterali, parafango
anteriore e codino posteriore. La forma definitiva di tutti questi componenti è determinata
in
modo
da
minimizzare la resistenza aerodinamica offerta. La stima
delle forze aerodinamiche è
fatta effettuando simulazioni
C.F.D. (Computational Fluid
La fase di reverse engineering presso i laboratori del Politecnico di Milano. In particolare sono riportate le operazioni di
scansione del telaio e del motore ed i corrispondenti risultati ottenuti.
Dynamics) tramite software
specifici. Tali simulazioni anacura da qualificati ingegneri dell’università to forma di nuvole di punti che è necessa- lizzano il flusso d’aria che investe la moto
supportati da numerosi studenti. Passiamo rio convertire in superfici tramite un’ e il pilota durante l’avanzamento e ne calquindi a descrivere le principali tematiche apposito software (Geomagic). In tal modo colano il campo di moto nell’intorno e quinanalizzate.
è possibile renderli compatibili con i più di le forze aerodinamiche scambiate. È
comuni software di modellazione tridimen- quindi possibile analizzare diverse configuREVERSE ENGINEERING
sionale. Sfruttando tali modelli si è proce- razioni dei componenti scegliendo quelle
Il primo passo affrontato è stata l’analisi dei duto all’affinamento dei modelli tridimen- che garantiscono una migliore penetrazioprincipali componenti originali acquisendone sionali di tutti i componenti analizzati: telaio, ne aerodinamica migliorando le prestazioni
con precisione le dimensioni caratteristiche. motore e forcellone. Altri componenti ac- della moto. In queste simulazioni sono staSono stati sottoposti ad operazioni di rever- cessori quali serbatoio, airbox, carene e ti considerati gli ingombri del pilota nelle
se engineering telaio, motore e forcellone. supporto sella, in quanto specifici di questa diverse posizioni assunte durante la marcia
Utilizzando sofisticate attrezzature messe a moto, vengono modellati ex novo. I com- della moto ovvero in condizioni di moto in
disposizione dal Politecnico di Milano, è sta- ponenti con funzioni strutturali quali telaio, rettilineo, in frenata e durante la percorrento possibile ottenere un’accurata modella- forcellone e supporto reggisella verranno in za di curve. Il software utilizzato per le anazione di tali componenti che costituiscono seguito sottoposti ad analisi strutturali per lisi CFD è Floworks (suite di Cosmos di
gli elementi di partenza del progetto. E sta- eseguire le indispensabili verifiche di resi- Solid works).
to in tal modo possibile abbreviare la fase di stenza e rigidezza.
modellazione iniziale. In queste pagine ripor- La modellazione tridimensionale ha sem- ANALISI STRUTTURALI
tiamo alcune immagini delle operazioni di plificato notevolmente la fase iniziale di im- Analisi fem dei componenti originali
reverse engineering eseguite.
postazione del layout della moto. È stato Il passo successivo è stato l’analisi delle
infatti possibile valutare con precisione gli caratteristiche di resistenza e rigidezza dei
MODELLAZIONE CAD 3D
ingombri dei diversi componenti, simulando componenti standard utilizzati. Sono state
Dalla fase di reverse engineering si otten- il corretto assemblaggio prima ancora che eseguite le analisi strutturali (Finite Element
gono gli ingombri dei vari componenti sot- questi vengano prodotti, in tal modo è sta- Method) tramite le quali è possibile stimare
115 FEBBRAIO
to quindi possibile abbreviare la fase di messa a punto
del primo prototipo. Il software utilizzato per la modellazione 3D è CATIA (Dessault
Sistem).
TEoriA e innovazione
Simulazioni CFD: analisi dei
flussi che investono veicolo e
pilota durante la fase d’accelerazione in rettilineo.
sono state stimate basandosi sulle prestazioni ipotizzate ed introducendo opportuni margini di sicurezza.
Particolare attenzione è stata posta nell’analisi del comportamento del telaio e del forcellone nelle
seguenti condizioni critiche:
Ñ Accelerazione al limite dell’impennata della ruota anteriore
Ñ Frenata al limite del bloccaggio della ruota anteriore
Ñ Percorrenza di curve in condizioni limite d’aderenza dei pneumatici, in entrambe le direzioni.
Ñ Passaggio della moto su di
un cordolo ad alta velocità
Esempi di componenti modellati tramite software 3D: telaio,
(Jump over kerb).
forcellone, airbox e supporto reggisella.
Dai risultati di tali analisi è stato
gli sforzi e le deformazioni a cui vengono
possibile individuare le aree più
sottoposti i diversi componenti analizzati cedevoli del telaio e del forcellone, quindi
durante diverse condizioni di utilizzo. Le migliorarne il comportamento introducenforze esterne generate nell’utilizzo in pista do opportuni irrigidimenti. Tali irrigidimen-
Sforzi sul telaio in condizioni d’accelerazione limite, le sollecitazioni maggiori si
hanno in corrispondenza dei punti di sostegno del monoammortizzatore posteriore.
116 FEBBRAIO
ti vengono scelti minimizzando la massa del componente,
in modo tale da massimizzare la maneggevolezza della moto.
Dall’analisi FEM del telaio originale è emerso che le condizioni di funzionamento più
gravose per il telaio risultano:
Ñ Accelerazione in condizioni limite d’impennata
Ñ Frenata al limite del bloccaggio del pneumatico anteriore
Ñ Passaggio su di un cordolo ad alta velocità
Per la stima delle azioni esterne da introdurre in tale condizione, è stato adottato
un modello matematico semplificato della
moto in cui si considerano le sospensioni
come elementi rigidi. Le condizioni limite in
accelerazione risultano il distacco della ruota anteriore oppure lo slittamento della ruota motrice, in funzione del coefficiente
Sforzi sul telaio in condizioni di frenata limite, le maggiori sollecitazioni si
hanno nei pressi del cannotto di sterzo.
In questi grafici è riportato
l’andamento delle forze longitudinali e laterali trasmissibili
dai pneumatici analizzati.
d’aderenza dei pneumatici. Utilizzando i valori caratteristici della
moto analizzata è stato verificato che la condizione limite in fase
d’accelerazione risulta il distacco della ruota anteriore, in quanto si
ha un’elevata aderenza garantita dal pneumatico posteriore.
Noti quindi i valori del rapporto di trasmissione totale (rapporto tra
i giri motore ed i giri della ruota posteriore) è stato possibile calcolare la massa equivalente traslante al variare del rapporto di trasmissione analizzato.
Per il calcolo della massa equivalente traslante è stata utilizzata la
seguente espressione (V.Cossalter -“Cinematica e dinamica della
motocicletta”)
La condizione al limite d’ impennata ovvero l’annullamento del carico verticale agente sulla ruota anteriore, è stata valutata tramite la
seguente espressione:
Da cui si ottiene l’accelerazione in condizioni limite tramite la seguente espressione:
Tale accelerazione risulta influenzata dalla posizione verticale e longitudinale del baricentro della moto (rapporto b/h) ed è indipendente dal coefficiente d’attrito tra pneumatico ed asfalto.
In prima ipotesi la forza aerodinamica può essere trascurata in
quanto ha un ordine di grandezza inferiore rispetto alle altre forze
considerate.
I risultati delle analisi FEM nelle diverse condizioni critiche analizzate sono riportati in queste pagine, le deformate dei vari componenti sono state amplificate per una migliore comprensione del fenomeno e non corrispondono quindi alle deformate reali.
Nella situazione di accelerazione in condizioni limite, tutto il peso
della moto più il trasferimento di carico dovuto all’inerzia si scaricano sulla ruota posteriore che trasmette forze al telaio tramite la
sospensione posteriore. La zona di supporto della sospensione
risulta infatti maggiormente sollecitata in tale condizione.
Durante la frenata in condizioni limite, tutto il peso della moto più il
TEorIA e innovazione
Gli sforzi sul forcellone in condizioni d’accelerazione limite: le zone critiche si
hanno nei pressi del perno ruota.
117 FEBBRAIO
Sforzi sul telaio nella condizione di passaggio su un cordolo: le sollecitazioni massime si hanno in corrispondenza dei punti di supporto della sospensione posteriore.
Progetto Alemoto SXV-GP
Un’immagine del forcellone standard analizzato.
TEoriA e innovazione
Gli sforzi generati nella percorrenza di curva a destra e curva a sinistra: le zone più sollecitate risultano i bracci ad interno curva.
La condizione frenata al limite d’aderenza del pneumatico
anteriore: sono stati stimati deformazioni e sforzi notevolmente inferiori rispetto al telaio standard.
Gli sforzi sul forcellone nella condizione di Jump over kerb, le zone maggiormente
sollecitate si hanno nei pressi del punto di attacco del monoammortizzatore posteriore.
trasferimento di carico generato dall’inerzia
di moto e pilota si scaricano sulla ruota
anteriore. La forza longitudinale in frenata,
opposta alla direzione d’avanzamento, genera una coppia che sollecita il cannotto di
sterzo. Questa zona risulta notevolmente
sollecitata, come evidenziato nell’immagine
in queste pagine.
Per simulare la condizione di passaggio su
un cordolo ad alta velocità (Jump over
kerb), è stata imposta un’accelerazione
verticale. In tali condizioni è stato inoltre
dimensionato il supporto reggisella del pilota.
Le analisi strutturali FEM eseguite sul forcellone originale considerano le seguenti
condizioni critiche
Ñ Accelerazione al limite del distacco della ruota anteriore.
Ñ Percorrenza di curve in condizione limite d’aderenza del pneumatico posteriore in
entrambe le direzioni.
Ñ Passaggio su di un cordolo ad alta
velocità.
Nel primo caso tutto il peso di moto e pilota risulta concentrato sulla ruota posteriore, la ruota anteriore risulta scarica e la
118 FEBBRAIO
reazione vincolare
anteriore nulla.
Nella percorrenza di
curva in condizioni
limite, la stima delle
forze trasmesse dai
pneumatici è stata
fatta utilizzando i valori delle “Magic formula” di Pacejka. Tramite queste espressioni è possibile stimare la massima forza
trasmissibile dai pneumatici in funzione dell’angolo di piega e del carico verticale agente sui pneumatici stessi. Sono state eseguite le analisi di entrambe le curve, data
l’asimmetria del forcellone. L’ultima situazione analizzata prevede che la moto passi sopra ad un cordolo ad alta velocità. Non
sono state considerate le forze trasmesse
dai pneumatici in quanto trascurabili rispetto alle forze verticali.
Coefficienti di sicurezza
Note le sollecitazioni massime ricavate dalle analisi FEM precedenti, conoscendo le
caratteristiche del materiale, è possibile calcolare un coefficiente di sicurezza rispetto
alla condizione di snervamento dei diversi
componenti. La verifica dei coefficienti di
sicurezza viene eseguita in tutte le condizioni limite analizzate nei paragrafi precedenti:
accelerazione, frenata, curva a destra, curva
a sinistra e passaggio su un cordolo.
Rigidezze
Noti gli spostamenti massimi dei componenti analizzati e conoscendo le forze applicate, è possibile stimare la rigidezza
equivalente di tali componenti nelle diverse
manovre analizzate.
È stata utilizzata la seguente espressione:
Ñ Δx: spostamento massimo, fornito dalle
analisi FEM [mm]
Qui vediamo gli sforzi generati nella percorrenza di curve a destra e a sinistra.
Entrambi bracci risultano meno sollecitati rispetto alla configurazione precedente.
Ñ F: forza introdotta nelle analisi [N]
Le rigidezze calcolate sono utili per valutare il loro incremento a seguito dell’introduzione di irrigidimenti strutturali nelle zone
meno rigide evidenziate nelle analisi FEM
precedenti.
Le rigidezze flessionali relative alle manovre
di accelerazione e frenata devono essere il
più elevate possibili, in quanto aiutano a
ridurre le variazioni di alcune quote ciclistiche, influenzando notevolmente la dinamica del veicolo nelle diverse condizioni analizzate. Eccessivi rinforzi generano
comunque un’ incremento di peso, che
penalizza la maneggevolezza del veicolo e
le sue prestazioni nei transitori (fasi d’ accelerazione e di frenata.)
È necessario quindi trovare una condizione di
compromesso tra rigidezza e peso dei componenti analizzati e quindi dell’intero veicolo.
Un parametro utilizzato per valutare l’efficacia di un irrigidimento introdotto è il seguente rapporto:
Tale parametro valuta l’incremento di rigidezza rispetto alla configurazione originale del componente analizzato in rapporto al corrispondente incremento di
peso dovuto alla
modifica introdotta.
Introducendo irrigidimenti opportuni,
ovvero dove veramente servono, si
otterranno maggio-
Gli sforzi sul forcellone nella condizione di passaggio su un cordolo. Anche in
questo caso si nota una notevole riduzione delle sollecitazioni massime stimate.
ri valori del rapporto ε.
La rigidezza torsionale di telaio e forcellone,
calcolate nella percorrenza di curve ad elevati angoli di piega non devono quindi essere eccessive, in quanto in tali condizioni
le sollecitazioni esterne vengono in prevalenza assorbite dal forcellone e dal telaio
che, deformandonsi, assolvono il lavoro
delle sospensioni, evitando un’eccessivo
sovraccarico dei pneumatici, migliorandone
le prestazioni e riducendone l’usura.
Il motore Aprilia 550 cm3 derivato dalle competizioni del mondiale supermoto,
che verrà impiegato sulla SXV-GP.
Progetto Alemoto SXV-GP
TEorIA e innovazione
Qui ritratti gli sforzi sul forcellone in condizioni d’accelerazione limite, si nota
119 FEBBRAIO
Il forcellone è stato modificato introducendo irrigidimenti in entrambi i bracci.
TEoriA e innovazione
In questo disegno vediamo il modello Gasdyn realizzato, e i risultati ottenuti:
curve di coppia e potenza, nelle diverse configurazioni.
Questo è il modello delle dinamica longitudinale della moto in accelerazione. In basso vediamo
le curve di coppia alla ruota al variare del rapporto inserito e le forze trasmesse dai pneumatici.
Analisi fem componenti modificati (irrigiditi)
Sono state replicate le simulazioni
descritte in precedenza, valutando le
prestazioni dei componenti modificati tramite l’introduzione di irrigidimenti nelle zone risultate più cedevoli.
Una delle zone maggiormente sollecitate del telaio standard risultava il
cannotto di sterzo; è stata quindi proposta una modifica con lo scopo di
ridurre le sollecitazioni in tale area ed
aumentandone la rigidezza. La proposta di irrigidimento definitiva considera gli ingombri dei serbatoi d’olio
e benzina, ed è ottenuta come sviluppo della soluzione presentata nell’immagini in queste pagine.
Per quanto riguarda il forcellone sono
state inserite capriate d’irrigidimento
su entrambi i bracci in modo da ridurne la cedevolezza flessionale e
migliorarne la resistenza a fatica. Le
condizioni analizzate sono analoghe
a quelle effettuate sul componente
standard.
Dalle analisi dei componenti modificati si nota una riduzione delle sollecitazioni massime dei vari elementi,
corrispondente ad un’ aumento dei
coefficienti di sicurezza, rispetto alla
condizione di snervamento del componente, ed un’ aumento della rigidezza equivalente nelle diverse manovre analizzate.
120 FEBBRAIO
SIMULAZIONE DELLA CARATTERISTICA DEL MOTORE
L’erogazione del motore di una moto
risulta fondamentale per massimizzarne le prestazioni in fase di accelerazione. La scelta diversi parametri quali mappature d’anticipo d’accensione
e dei tempi d’iniezione, caratteristiche
dei componenti interni e di componenti accessori (dimensioni di air-box
e dei condotti di scarico) sono state
eseguite basandosi sui risultati di simulazioni delle prestazioni del motore.
In tal modo è stato possibile prevedere l’erogazione del motore al variare
dei parametri di funzionamento. È stato quindi possibile utilizzare componenti appositamente progettati per
questo prototipo. Le curve di coppia
e potenza ottenute, sono state in seguito utilizzate nelle simulazioni della
dinamica longitudinale del veicolo. Il
software utilizzato per queste analisi è
Gasdyn (Politecnico di Milano).
DINAMICA DEL VEICOLO
Sono state effettuate simulazioni delle prestazioni della moto in fase d’accelerazione in base alle caratteristiche
previste. È stato implementato un modello a tre gradi di libertà, capace di
simulare la fase d’accelerazione della
moto. Tale modello sfrutta il concetto
degli equilibri dinamici per la stima
delle prestazioni del veicolo. La scelta
MONTAGGIO DEL MOTORE
Conoscendo con precisione le coordinate
di pignone e del perno del forcellone, scansionati tramite reverse engineeering, e nota
la compressione della sospensione al carico massimo applicato in curva, è stato
possibile decidere la posizione verticale del
pignone. La posizione definitiva è stata
scelta in modo da allineare i tre assi di rotazione di pignone, pivot e ruota posteriore
nella condizione di percorrenza di curva.
Tale posizione è stata scelta in modo da
minimizzare l’effetto del tiro catena nella
fase di accelerazione in uscita dalle curve.
Una delle fasi di assemblaggio del primo prototipo di Sxv-GP nell’officina
del Team Alemoto.
Un doveroso ringraziamento va poi alle
aziende che supportano il nostro progetto mettendo a disposizione la loro esperienza maturata in anni di competizioni:
Paioli Meccanica (sospensioni), Accossato (manubri ed impianto freno), Osbe
(caschi), LM-Gianetti (lavorazioni meccaniche), Cronotime (sitemi elettronici e
termocoperte), Ariete (manopole ed accessori), Exan (scarichi), Arf33 (componenti in fibra di carbonio), Luky7 (carene), Prodigy (sito web), Comepre
(saldature componenti vari). Per ulteriori dettagli, ed approfondimenti non esitate a contattare il seguente indirizzo
e-mail: [email protected], saremo lieti
di rispondere a tutte le domande inerenti questo progetto. Ulteriori informazioni
saranno presto disponibili nel sito web
del team: www.alemoto.com .
■
I componenti del team Alemoto: da destra Alessandro Loprevite, Marco
Caccianiga, Luca Doro, Roberto Neri, Federico Benedetti, Massimiliano Maio,
Eugenio Tiziani, Stefano Croce. Non presenti nella foto: Maurizio Montel, Luca
Contardo, Giorgio Pellegrino, ed Alain Dainè.
Progetto Alemoto SXV-GP
CONCLUSIONI E RINGRAZIAMENTI
Effettuate tutte le simulazioni descritte in
precedenza, è stato realizzato il primo prototipo necessario per verificare il corretto
assemblaggio di tutti i componenti, e in
seguito iniziare lo sviluppo di tutte le parti
utilizzate in modo tale da ottenere un mezzo competitivo per l’inizio del prossimo
campionato. La realizzazione di questo
prototipo, durata più di 15 mesi, è stata
possibile grazie al supporto di numerose
persone ed aziende che si desidera ringraziare. In particolare il Politecnico di Milano
nelle persone dei Professori: Cheli, Pezzola e Braghin per le collaborazioni intraprese
e le consulenze fornite (mecc.mecsys.polimi.it). Il Professor Cugini e tutti gli studenti del corso che hanno collaborato anche
al termine dell’esame, dimostrando passione e professionalità (lavori svolti dagli studenti visionabili al
seguente sito web:
www.kaemart.it).
TEorIA e innovazione
dei parametri d’assetto da utilizzare in pista
è basata sui risultati delle simulazioni cinematiche e dinamiche effettuate. Tali simulazioni sono inoltre utili per stimare le reali
prestazioni della moto, e confrontarle con le
prestazioni delle moto avversarie. In tal
modo è possibile valutare l’entità degli interventi necessari per risultare competitivi.
121 FEBBRAIO
La posizione relativa tra pignone e pivot è stata scelta in fase di progetto per minimizzare l’effetto del tiro catena.