Studio ed ottimizzazione della geometria di un telaio da kart

Università degli Studi di Cagliari

Facoltà di Ingegneria e Architettura

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Studio ed ottimizzazione della geometria di un telaio da kart

Relatore: Prof. Ing. Antonio Federico Imperio

Tesi di Laurea di: Baldi

A.A. 2023-2024

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Indice

• Capitolo 1: Storia del karting ....................................................................... 4
• 1.1: Formula 1 e categorie ........................................................................................... 6
• 1.2 Parametri di design e misure caratteristiche ........................................................... 9
• 1.3: Componenti principali ......................................................................................... 14
• Capitolo 2: Introduzione alla tesi ............................................................ 20
• Capitolo 3: Analisi numerica ......................................................................... 21
• 3.1: Metodo agli elementi finiti (FEM) ...................................................................... 22
• 3.2: Modellazione con Workbench ............................................................................. 24
• 3.3: Calcolo analitico della rigidezza torsionale posteriore ........................................ 30
• 3.4: Calcolo degli spostamenti ................................................................................... 38
• 3.4.1: Calcolo dello spostamento verticale in B ..................................................... 39
• 3.4.2: Calcolo dello spostamento verticale in C ..................................................... 41
• Capitolo 4: Modifiche proposte .................................................................... 44
• 4.1: Prima modifica .................................................................................................... 45
• 4.2: Seconda modifica ................................................................................................ 46
• Capitolo 5: Conclusioni .................................................................................... 47
• Capitolo 6: Bibliografia ................................................................................... 49
• Allegati .................................................................................................................... 50
• Allegato 1: Fiche d’Homologation Telaio Birel Art RY30 (pag. 51) ........................ 50

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Capitolo 1: Storia del karting

Secondo la definizione di base, il karting rappresenta una disciplina del motorsport che coinvolge l'uso dei kart, dei veicoli a motore di dimensioni ridotte. Il prototipo inaugurale del go-kart risale al 1956 ed è stato concepito da Art Ingels, un costruttore automobilistico statunitense e tecnico della Kurtis Kraft. Utilizzando tubi di scarto e un motore West-Bend, proveniente da un vecchio tosaerba, Ingels sviluppò un veicolo a motore compatto per intrattenere suo figlio.

Figura 1 Art Ingels in sella al primo kart (K1speed.com)

Già nel 1957, in California vennero sviluppati i primi kart veri e propri: veicoli compatti, senza sospensioni, con un telaio flessibile, trazione posteriore e motori dalla potenza limitata, ma capaci di raggiungere velocità fino a 100 km/h. Nel 1959, a Nassau si tenne la prima gara ufficiale di karting.

Nonostante le sue radici statunitensi, il karting è riuscito ad affermarsi anche nel panorama della guida sportiva italiano, coinvolgendo migliaia di appassionati; questo ha portato alla nascita di numerose associazioni ed impianti ‘kartodromi’ e ad oggi questo sport gode di una lunga e prestigiosa tradizione. Nella penisola, la prima esibizione di un kart si è svolta sulla pista dell'Autodromo Nazionale di Monza, mentre la produzione di questi veicoli è fortemente associata al nome di Nicolò Donà dalle Rose, un pioniere del settore. Nel corso degli anni piloti e scuderie italiane hanno ottenuto notevoli successi a livello internazionale.

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La varietà delle categorie di karting ha portato alla creazione di numerose competizioni sia a livello nazionale che internazionale. A livello globale, i titoli più ambiti sono quelli assegnati dalla divisione karting della FIA, noti come FIA Karting World Championship (evento singolo). Situazione simile si riscontra nel panorama europeo, con il dominio del FIA Karting European Championship (torneo con tappe in diversi paesi del continente). In Italia, invece, il trofeo più prestigioso è il Campionato Italiano ACI Karting, organizzato e promosso dall'ACI, che comprende 8 diverse classi (alcune con 3 gare, altre con 5). [1]

Figura 2 primo kart progettato da Art Ingels (FIAkarting.com)

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1.1: Formula 1 e categorie

Il karting rappresenta una tappa fondamentale nella formazione dei piloti di Formula 1. La correlazione tra queste due discipline è evidente nella progressione naturale delle carriere dei piloti, nello sviluppo delle abilità tecniche e di guida, e nella preparazione mentale e strategica necessaria per competere ai massimi livelli. Il passaggio dai kart alla Formula 1 non è solo comune, ma quasi imprescindibile per chi aspira a raggiungere il vertice delle corse automobilistiche.

Molti piloti di Formula 1 come: Charles Leclerc, Max Verstappen, Lando Norris e Pierre Gasly hanno iniziato la loro carriera nei kart. Questo è spesso il primo passo per i giovani piloti per imparare le basi della guida competitiva, la gestione delle curve, il controllo del veicolo e le tecniche di sorpasso.

Anche se i kart sono molto meno complessi rispetto alle sofisticate monoposto di Formula 1, la comprensione delle dinamiche di base di un semplice veicolo da corsa, aiuta il pilota a comunicare meglio con il proprio ingegnere e a fornire gli aggiustamenti tecnici necessari.

Passare dai kart alle monoposto richiede adattamenti significativi, soprattutto in termini di gestione della velocità, dell'aerodinamica e della complessità tecnica dei veicoli. Tuttavia, la solida base costruita nei kart facilita questa transizione. I piloti di kart partecipano spesso a molte gare durante l'anno, accumulando una vasta esperienza in situazioni di gara reali, che è cruciale per la loro formazione.

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Dopo il karting, i piloti spesso passano attraverso altre categorie di monoposto come la Formula 4, la Formula 3 e la Formula 2, prima di arrivare in Formula 1. Questo sistema a gradini permette ai piloti di affinare ulteriormente le loro abilità in veicoli sempre più complessi e potenti.

Figura 3 Piloti di F1 Charles Leclerc e Sebastian Vettel (TKART.com)

Categorie: Il karting è suddiviso in classi e categorie in base ai motori e ai telai utilizzati. Secondo il regolamento tecnico, le principali classi internazionali sono:

Classe KZ1: Utilizza motori a 2T da 125 cm³ che producono circa 46-50 CV con un cambio a sei marce. Questa è la categoria più veloce e permette, a differenza della KZ2, l'uso di un cambio manuale o elettromeccanico. Il peso minimo è di 170 kg ed è accessibile ai piloti dai 15 anni in su. I telai sono composti da tubi con un diametro di 30 o 32 mm e assali da 50 mm.

Classe KZ2: Utilizza motori a 2T da 125 cm³ con una potenza massima di 45 CV, anch'essi dotati di cambio a sei marce. La differenza principale rispetto alla KZ1 è che in KZ2 il cambio deve essere manuale e meccanico, senza l'uso di servosistemi. Il peso minimo è di 175 kg. Anche in questa classe, i telai sono costituiti da tubi da 30 o 32 mm.

Classe KF1: È la classe regina, una delle categorie di livello più alto. Utilizza motori a 2T da 125 cm³ (TAG) che forniscono circa 40 CV. Il peso minimo, incluso il pilota, è di 160 kg. I motori dispongono di avviamento elettrico e frizione. Le sottoclassi includono KF2 e KF3.

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Classe MINI: Utilizza motori da 60 cm³, raffreddati ad aria, con avviamento on board (TAG) e telai con tubi di diametro di 28 mm. Reg. Tecnico, valevole per l’anno

Per quanto riguarda il regolamento nazionale RDSK-in corso, vigono le seguenti categorie: [2]

Tabella 1 Categorie nazionali

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1.2 Parametri di design e misure caratteristiche

Questo capitolo mira a delineare i parametri distintivi del kart. È importante sottolineare che numerosi elementi, quali: geometrie, materiali, spessori e pesi menzionati in questa trattazione, sono soggetti a vincoli derivanti dalle normative stabilite da Aci Sport. La struttura di un kart, in sostanza, consiste in un insieme di tubi d'acciaio saldati tra loro. Tuttavia, dietro questa apparente semplicità si cela un processo complesso, che comincia dalla fase di progettazione e di studio, e termina con quella di fabbricazione. I principali parametri costruttivi di un kart sono i seguenti:

Carreggiata anteriore: La carreggiata anteriore è la larghezza dell'avantreno, misurata dalle estremità delle due ruote anteriori. In questo caso, la larghezza del telaio è fissa e le variazioni vengono apportate tramite spessori o distanziali: spostandoli verso l'esterno si stringe la carreggiata, diversamente spostandoli verso l'interno la si allarga (figura 5). Questa variazione influisce sull'aderenza all'avantreno e quindi sulla velocità di entrata e di percorrenza della curva. Queste variazioni sono consentite entro certe tolleranze dettate dal regolamento, la carreggiata anteriore può essere ridotta o maggiorata rispetto al fiche di riferimento di +/- 10 mm fino ad un massimo di 1400 mm nella condizione fuori tutto [2]. Una carreggiata più ampia aumenta l'aderenza e migliora il comportamento del kart nelle curve di ampio raggio, ma può compromettere la reattività durante le fasi di inserimento e nei cambi di direzione veloci. Al contrario, una carreggiata più stretta favorisce la risposta nelle curve più strette, però una eccessiva riduzione, rispetto ai parametri di progetto, può generare sottosterzo che richiede correzioni continue, soprattutto nelle curve più veloci.

Figura 4 Carreggiata anteriore (http://praga-racing.de)

Figura 5 Distanziali per la regolazione (TKART.com)

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Carreggiata posteriore: La larghezza del retrotreno, misurata dagli estremi dei cerchi, è regolabile tramite i mozzi o tramite la variazione dell’asse stesso con l’accoppiamento di distanziali. La carreggiata posteriore può essere maggiorata o ridotta di +/- 10 mm rispetto alla misura riportata sulla fiche di omologazione, ma deve essere comunque minore di 1400 mm misurati nelle condizioni fuori tutto [2]. Questa larghezza influenza due aspetti cruciali: in primo luogo, determina la forza centrifuga applicata alla ruota anteriore esterna, che aumenta con l'allargamento della carreggiata, questo trasferisce il carico sulla ruota, sollevando la ruota posteriore interna e causando una maggiore carica sull'avantreno, portando il kart a sottosterzare; in secondo luogo, la lunghezza del tratto di assale tra il cuscinetto esterno e il mozzo aumenta con l'allargamento della carreggiata, ammorbidendo così il retrotreno e riducendo l'aderenza della ruota posteriore in appoggio. Nella pratica, una carreggiata posteriore più ampia offre maggiore stabilità in frenata, ma può comportare una perdita di trazione in uscita di curva. Al contrario, una carreggiata più stretta fornisce maggiore aderenza in uscita di curva, ma può generare un eccessivo sottosterzo a causa del trasferimento di carico.

Figura 6 Carreggiata posteriore (http://praga-racing.de)

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Passo: il passo è la distanza tra l'asse delle ruote anteriori e quello delle ruote posteriori. In generale, un passo più corto rende il telaio più reattivo, mentre un passo più lungo favorisce la guida nelle curve lunghe e veloci. Aumentando il passo il telaio flette di più, generando maggiore aderenza al posteriore. Come per la carreggiata anteriore e posteriore, anche la variazione della misura del passo è vincolata da regolamento e può essere modificata di +/- 10 mm rispetto alle tolleranze del telaio originale. [2]

Figura 7 Passo (TKART.com)

Baricentro: si tratta del “punto medio” di distribuzione dei pesi, più si trova vicino a terra migliore sarà l’Handling del kart. Siccome il pilota è l’elemento più pesante che si trova sul kart, per il baricentro è decisiva la posizione del sedile: più il baricentro è basso minore è il fenomeno del beccheggio in frenata; quindi, minore sarà il carico sull’avantreno e il conseguente rischio di sottosterzo in ingresso di curva. Nello studio della dinamica del kart, dunque, un baricentro più basso porta ad avere numerosi vantaggi, però gli ingombri ridotti, nello specifico, non consentono spesso di modificare questo parametro, perciò, gli altri accessori da montare sul kart, da questo punto di vista, dovrebbero mantenere l’equilibrio tra lato destro e lato sinistro. Per controllare la giusta ripartizione si può mettere il kart su quattro bilance, una sotto ogni ruota.

Figura 8 Posizione del baricentro

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Curve: La configurazione delle curve è lasciata alla discrezione del costruttore. Nel corso degli anni sono stati sviluppati telai con configurazioni particolarmente innovative, tuttavia, la forma di base dei telai per kart è diventata stabile e uniforme per la maggior parte dei modelli. La geometria impostata su una scocca rappresenta il parametro cruciale per determinare il comportamento dinamico di un telaio in pista, incluso il suo comportamento in curva. Questo aspetto consente di gestire le flessioni in modo tale da, ad esempio, sollevare la ruota posteriore interna e migliorare le prestazioni in curva.

Figura 9 da sinistra a destra rispettivamente VLR EMERALD, GKF-048 e GKF-044 (TKART.com)

Peso: Non esiste una normativa specifica che stabilisca parametri riguardanti il peso del telaio, poiché ciò dipende dal peso totale del kart in base alle categorie e alle competizioni. Tuttavia, è evidente che una scocca più leggera offre prestazioni superiori rispetto a una più pesante, sebbene sia necessario considerare la rigidità torsionale e flessionale. Un telaio eccessivamente leggero potrebbe risultare "cedevole", compromettendo le prestazioni in percorrenza di curva. Di conseguenza, sia nella fase di produzione che nella selezione di una scocca, è importante cercare il giusto equilibrio tra le diverse caratteristiche, includendo la qualità del materiale, lo spessore dei tubi, la qualità delle saldature e naturalmente il peso.

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Diametro tubi: A parità di materiale, variazioni nel diametro dei tubi possono influenzare la rigidità torsionale della scocca in maniera significativa. Poiché il design del telaio è consolidato e altri parametri sono rigidamente vincolati, la gestione ottimale dei diametri e degli spessori dei tubi riveste un'importanza cruciale. I diametri più comuni sono 30 e 32 mm, mentre il 28 mm è meno diffuso. Alcune scocche presentano tubi di diametro uniforme, mentre altre adottano diametri "misti". Generalmente, i tubi da 32 mm sono preferiti per i telai destinati alla classe KZ, mentre quelli da 30 mm sono più adatti per le categorie monomarcia.

Un altro aspetto, su cui i costruttori stanno concentrando notevoli sforzi di ricerca, riguarda il materiale utilizzato. Pur rispettando le limitazioni imposte dalla Federazione, la ricerca attenta e l'utilizzo di tecnologie avanzate possono fare la differenza all'interno di tali limitazioni, incidendo in modo significativo sulle prestazioni complessive del telaio. I tubi della scocca del telaio devono essere in materiale magnetico, conformi alle disposizioni FIA Karting. Nello specifico è vietato l’uso di leghe leggere, di materiali compositi, esotici e nobili per la costruzione della scocca. [3]

Tutti i telai per kart devono ricevere l'omologazione ufficiale dalla Federazione Internazionale CIK-FIA. Dal 2020, questa regola è stata estesa anche ai telai destinati alla categoria Mini, i quali, fino ad allora, richiedevano solo l'approvazione da parte di un'ASN nazionale. Per ottenere l'omologazione, i telai devono soddisfare precisi criteri, ad esempio: i materiali utilizzati devono essere acciai basso legati,