Telaio dalla mountainbike tesina

Istituto Tecnico Industriale "ITIS G. Perlasca"

Naoufel Boujellaba

Classe 5A

Indirizzo meccanica

Anno scolastico 2013/2014

Il telaio della mountain bike

Indice

Premessa.........................................................................................................................................1

Introduzione....................................................................................................................................1

La sospensione posteriore................................................................................................................3

Quadrilatero Horst Link...................................................................................................................4

Inglese.............................................................................................................................................5

The bicycle.......................................................................................................................................5

Tecnologia........................................................................................................................................6

Impiego dell'alluminio.....................................................................................................................6

Classificazione delle leghe d'alluminio...........................................................................................7

Impiego del carbonio....................................................................................................................10

Prototipazione...........................................................................................................................10

Realizzazione............................................................................................................................11

L’idroformatura..............................................................................................................................12

La preparazione.........................................................................................................................13

Le varie fasi dell’idroformatura...............................................................................................15

Meccanica.......................................................................................................................................17

La trasmissione.............................................................................................................................17

Trasmissione con catena............................................................................................................17

Trasmissione con cinghia dentata.............................................................................................20

Matematica.....................................................................................................................................25

Grafico del rapporto di compressione............................................................................................25

Disegno...........................................................................................................................................27

Analisi FEA...................................................................................................................................27

Costruzione del modello matematico........................................................................................27

Costruzione dal modello agli elementi finiti.............................................................................28

Criterio di massima sollecitazione von Mises...........................................................................28

Conclusione....................................................................................................................................30

Bibliografia.....................................................................................................................................32

Premessa

In questa tesina, che è volta a spiegare lo studio e lo sviluppo che ogni designer, progettista, deve compiere per la progettazione di un telaio per MTB full suspended, spiegherò i processi fondamentali per ottenere un telaio. Il progettista deve tenere conto di una serie di variabili, molto complesse, tra cui le sollecitazioni indotte dalla spinta del biker e del suo peso. Il progettista cerca di ottenere il giusto compromesso fra resistenza ed estetica, perché anche l'occhio vuole la sua parte.

Parte fondamentale della progettazione è la scelta del materiale, per resistere alle forti sollecitazioni a cui il telaio è sottoposto, il processo di formatura dei profilati e la ricerca di nuovi materiali, per migliorarne la resistenza.

Il progettista può avvalersi degli studi fatti da ingegneri e svilupparli migliorandoli, grazie all'aiuto di software che permettono di cambiare il settaggio e le configurazioni, abbattendo i costi della prototipazione, arrivando ad un prodotto quasi simile a quello finale.

Infine ho scelto questo argomento, perché fin da piccolo sono stato legato al mondo del ciclismo partecipando dall'età di sei anni a competizioni MTB, la MTB mi ha migliorato e grazie ad essa sono maturato.

Introduzione

La mountain bike (spesso MTB) è una bicicletta strutturata in modo da potersi muovere fuori da strade asfaltate, sia in salita che in discesa. La bicicletta da montagna nasce in California negli Stati Uniti d'America verso la fine degli anni sessanta. La base di partenza di tutte le mountain bike fu il modello "Schwinn Excelsior"

Una pesante bici da lavoro, risalente agli anni '30, con gomme grosse, telaio molto robusto (e pesante), robusti portapacchi, parafanghi e senza rapporti di cambio.

Queste bici erano indicate per poter sopportare le sollecitazioni di escursioni fuoristrada, ed erano utilizzate da gruppi hippies in cerca di spazi incontaminati. Tolti portapacchi e parafanghi, il passo successivo fu quello di affinare tale bici e infatti il primo serio sviluppo alle MTB fu dato da Gary Fisher, Tom Ritchey e Joe Breeze che modificarono la geometria del telaio, lo resero più leggero (con l'uso di tubazioni più resistenti e leggere) ed introdussero un cambio di velocità specifico

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(Inizialmente adattato da trasmissioni stradali). Il fenomeno della mountain bike dilagò in tutti gli Stati Uniti e più tardi, negli anni ottanta, in Europa. Dal 1985 fino alla fine del secolo le vendite di MTB si incrementarono al punto da superare la quota di due terzi del mercato.

I telai per mountain bike sono caratterizzati da una geometria più compatta di quelli per bici da strada, per conferire maneggevolezza e resistenza. È diffusa la geometria sloping (in discesa) in cui il tubo orizzontale è particolarmente inclinato verso il basso, congiungendosi a un tubo verticale molto corto. Un'altra differenza è quella dei telai con sospensione posteriore, in cui il carro ha un sistema di snodi per permettere il movimento verticale della ruota.

Le mountain bikes si possono distinguere a seconda del telaio e delle sospensioni:

• Front suspended o hardtail: MTB con forcella ammortizzata anteriore;
• Full suspended o biammortizzate: MTB con forcella ammortizzata anteriore e sistema ammortizzante posteriore inserito nel telaio;
• Rigide: MTB senza sospensioni.

Fra i diversi tipi di sospensione posteriore, i più conosciuti sono:

• Monoshock o Monopivot: il carro è attaccato al telaio attraverso un solo punto di articolazione. È un sistema semplice ed economico ma il ciclista consuma più energie perché durante la pedalata la sospensione tende ad oscillare.
• Quadrilatero deformabile: la sospensione ha quattro punti di articolazione, di cui uno sui tubi che collegano il forcellino della ruota con la parte anteriore del telaio posti in alto. Questo sistema è più costoso del precedente ma risponde meglio sui terreni sconnessi.
• Quadrilatero Horst: lo schema è come quello deformabile però ha un punto di articolazione sui foderi bassi, pertanto rende la sospensione poco sensibile nel momento in cui il ciclista pedala e quindi ne limita l'oscillazione a differenza di quanto accade nei due precedenti tipi.
• Quadrilatero Lawwill: è simile alle sospensioni di tipo quadrilatero che vengono usate sulle auto sportive.
• VPP: è una sospensione abbastanza recente, che accentua i vantaggi del quadrilatero Horst, in particolare per le prestazioni su terreni difficili ed accentua l'impercettibilità della sospensione durante la pedalata.
• URT: il movimento centrale di questa sospensione è collegato al carro posteriore e non alla parte anteriore del telaio. È un sistema ormai quasi inutilizzato perché non garantisce buone prestazioni.

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La sospensione posteriore

Il carro ammortizzato ha un semplice compito: far fronte alle sconnessioni del terreno e agli urti che ne derivano e si scaricano sulla ruota posteriore. Urti che non sono solo verticali, ma composti anche da una componente orizzontale dovuta al movimento in avanti della bici.

Le sconnessioni del terreno non sono l’unico fattore da tenere in considerazione, infatti, anche il peso del biker si scarica sulla bici, producendo oscillazioni aggiuntive; il biker, quando pedala, trasmette un’ulteriore oscillazione su entrambe le sospensioni, per la rotazione delle sue gambe che pesano da sole più dell’intera bici.

È complesso il compito di ogni designer che si appresta a progettare, rivisitare o semplicemente ottimizzare un determinato schema di sospensione. Le oscillazioni dovute alla pedalata non potranno mai essere contrastate completamente, proprio per questo motivo nascono i vari sistemi di smorzamento della pedalata sull’ammortizzatore (come il Propedal) per minimizzarle.

È invece più facile contrastare le forze indotte dalla trasmissione, cioè l’effetto che ha la catena tesa tra ingranaggio anteriore e posteriore (corona e pignone) sul comportamento del carro ammortizzato. È chiamato “tiro catena” il fenomeno che porta all’aumento della distanza tra il movimento centrale (asse della corona anteriore) e il perno ruota (asse del pignone posteriore) quando la ruota posteriore assorbe un urto e quindi la sospensione si comprime.

La ruota posteriore disegna un arco, muovendosi sia all’indietro sia verso l’alto, lungo la sua corsa, con il tiro catena che arriva a contrastare l’azione della sospensione mentre cerca di assorbire una sconnessione del terreno; questo fenomeno è chiamato “pedal feedback” o “pedal kickback”.

Pure la frenata ha conseguenze dannose sulla sospensione posteriore. Ci sono schemi che tendono a irrigidirsi in frenata più di altri, con il fenomeno che diventa più avvertibile su MTB full a lunga escursione. Quando la ruota posteriore subisce una forte e improvvisa decelerazione, segue le sconnessioni del terreno con minore facilità e precisione rispetto a una che invece rotola senza alcun impedimento, come su un asfalto perfettamente liscio. A questo fattore si aggiunge il naturale trasferimento di carico sull’anteriore della bici ogni volta che si frena; con la ruota posteriore che si scarica di peso. Le due azioni provocano in qualsiasi veicolo, a due o quattro ruote, una reazione sfavorevole quando si verificano in contemporanea.

Un elemento fondamentale della sospensione è il settaggio, con la corretta pressione in relazione al peso del ciclista, e la corretta manutenzione periodica.

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Quadrilatero Horst Link

Il quadrilatero, con il giunto sul fodero basso, che svincola la ruota posteriore dal fodero e che prende il nome dall’inventore, Horst Leitner, è fortemente impiegato in ambito ciclistico. Il brevetto ha più di 20 anni, detenuto da Specialized, che lo chiama FSR.

Nel quadrilatero Horst Link, lo snodo è collocato leggermente avanzato e in basso rispetto al perno ruota posteriore, il sistema è isolato dalle forze indotte dalla trasmissione e della frenata.

Sotto carico la bici non prova ad accorciare il fodero basso, causando l’ondeggiamento o bobbing, con la forza della pedalata. Le forze indotte dalla pedalata sono inferiori, rispetto alla maggior parte degli altri schemi.

Il quadrilatero con giunto Horst è neutrale, lavora bene in ogni condizione, è attivo sotto le forze indotte dalla pedalata e dalla frenata, sembra quasi perfetto… perché non è utilizzato da tutti?

Perché bisogna pagare per usarlo (brevetto Specialized FSR); ed è sensibile alle flessioni.

Il problema si può risolvere accorciando i foderi alti e allungando il link che aziona l’ammortizzatore, come l’interpretazione ICT che è stata brevettata da Tony Ellsworth. Ma il pivot collocato sul fodero basso, in una zona soggetta alle forze applicate dal biker sulle pedivelle e scaricate verso la ruota posteriore, è sottoposto a un alto carico laterale dagli urti e dalla deformazione della ruota, che porta a una progettazione e realizzazione più accurata rispetto a sistemi più semplici e meno “attivi”. Resta comunque uno dei sistemi più utilizzati sul mercato.

Sistema utilizzato sulla Norco Range 29er

Link Soluzione Ellsworth con link allungato per sopportare le sollecitazioni di flessione.

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Inglese

The bicycle

The bicycle is a human muscle-powered vehicle and it consists of a frame that has two wheels attached in a perfect alignment one behind the other and equipped with a mechanical system for the transmission of power to the drive wheel.

Structure and components:

Throughout its long history there were many attempts to introduce changes in the structure of the bicycle, to improve efficiency in the light of scientific advances (especially biomechanics) or for design experiments, but nevertheless, the general structure of the bicycle can now be seen crystallized and is essentially unchanged in all the many types that exist these days.

The bearing element is composed by the frame. Which allow many components are attached to this, the functioning of the bicycle. These components can be grouped into a series of systems each having a specific function.

The steering consisting of the fork that supports the front wheel connected by a pipe tilted forward to the handlebar, allows to vary the direction of the front wheel which makes possible to take bends.

The fork steering serves as attachment point for the front wheel.