Realizzazione prototipale di un telaio ciclistico di un bamboo in acciaio, Tesi

V

• f 71

E’ possibile quindi dedurre lo spessore dello strato unidirezionale equivalente (Fig. 3.18)

come: Fig. 3.19 - Spessore totale del tessuto e notazione.

3.2.7 Modulo elastico di uno strato di tessuto

I due strati di fibre formanti il tessuto possono essere considerati:

Separatamente, come mostrato nel paragrafo precedente. Le proprietà

• ν

meccaniche possono essere determinate con le formule mostrate

E , E , G ,

l t lt lt

nel paragrafo 3.2.5;

Assieme, lo strato di tessuto viene considerato come un singolo strato anisotropo

• con spessore (x è la direzione lungo l’ordito e è la direzione lunga la trama,

e y

vedi Figura 2.18). Si ottiene quindi:

72

La rigidezza ottenuta con un tessuto è minore di quella che si osserva sovrapponendo due

strati unidirezionali (vedi Fig. 3.20). Ciò è dovuto al fatto che le fibre vengono curvate

durante il processo di tessitura. Questa curvatura rende il composito tessuto più

deformabile di uno formato da due strati sovrapposti soggetti allo stesso carico. Esistono

difatti tessuti che sono definiti ad "alto modulo", dove gli strati unidirezionali non sono

collegati con l'altro mediante tessitura, ma bensì gli strati unidirezionali sono tenuti

insieme da cuciture sottili di fili di vetro o polimero.

Fig. 3.20 - Fibre tessute e fibre unidirezionali sovrapposte.

Tab. 3.12 - Proprietà di un tessuto equilibrato e resina epossidica.

73

3.2.8 Vantaggi e svantaggi dell’impiego di compositi

Lo sviluppo delle applicazioni di questa classe di materiali è dovuta agli innumerevoli

vantaggi:

Hanno elevato limite elastico, che corrisponde spesso al loro limite di rottura;

• Sono molto resistenti a fatica;

• Presentano un peso ridotto;

• Hanno un coefficiente di dilatazione lineare molto basso (o addirittura negativo);

• Non danno luogo a fenomeni di corrosione, eccetto che per il caso in cui

• dell’alluminio sia posto in contatto con fibre di carbonio poiché si hanno

fenomeni di corrosione galvanica nel metallo;

Non sono sensibili ai comuni composti chimici usati nei motori: grassi, olii, fluidi

• idraulici, vernici e solventi. Tuttavia, i diluenti usati per le vernici possono

intaccare la struttura della resina;

Hanno un’ottima resistenza a combustione comparata a quella delle leghe leggere

• di spessore analogo. Tuttavia, I fumi prodotti dalla combustione di certe

matrici(fenoliche) possono essere tossici;

Possibilità di una maggior integrazione delle strutture, con conseguente riduzione

• del numero di componenti.

I vantaggi che si possono ottenere rispetto ai materiali convenzionali sono comunque

sempre considerevoli, come mostrato in Figura 2.20.

Gli svantaggi sono invece principalmente:

La resistenza a compressione in genere è più bassa rispetto ai metalli;

• Hanno una resistenza ad impatto medio-bassa (in ogni caso inferiore a quella dei

• metalli);

Invecchiano se esposti ai raggi UV, a calore e ad umidità (la resina epossidica

• può assorbire acqua per diffusione fino al 6% della propria massa; il composito

fibra/resina ne può assorbire fino al 2%). Inoltre l’umidità può anche

comprometterne la stabilità dimensionale;

Soffrono di possibile attacco da parte di batteri, essendo composti organici;

• Elevato danneggiamento locale in caso in cui la struttura sia colpita da un

• fulmine, in quanto la resina è un ottimo isolante;

74

Maggiori difficoltà nelle riparazioni;

• Costi elevati (tuttavia è solo il costo dei materiali compositi ad essere elevato

• rispetto a quello dei metalli, ma non per questo il costo finale della struttura deve

essere più elevato).

3.2.9 Problematiche legate all’impiego dei compositi

I materiali compositi sono in continua evoluzione e sono materiali relativamente giovani.

Questo comporta che spesso la conoscenza delle proprietà (nonché la loro evoluzione nel

tempo) sia limitata, così come la disponibilità di database completi, con conseguenti

limitazioni in fase progettuale. I rapporti e le relazioni mostrate nei paragrafi precedenti

per il calcolo dei moduli e del coefficiente di Poisson dei materiali compositi, permettono

di ottenere soltanto un ordine di grandezza di queste proprietà meccaniche. Alcune di

queste relazioni non sono abbastanza accurate. Inoltre, queste proprietà sono molto

sensibili alle condizioni di fabbricazione. E’ necessario per il progettista avere una buona

conoscenza del comportamento e delle proprietà di questi materiali, tuttavia, i dati relativi

alle caratteristiche meccaniche non sono sempre disponibili. E’ quindi evidente la

necessità di ottenere tali dati tramite test in laboratorio, molti dei quali sono stati

standardizzati per quanto riguarda prove di trazione, di flessione e di impatto.

Un’approfondita analisi delle norme è oggetto del capitolo successivo. Ogni attività

sperimentale deve essere riproducibile con accuratezza al fine di ottenere dati coerenti al

variare delle tipologie di materiali in esame.

Per tale motivo sono stati creati degli standard di prova, in particolare dall’American

Society for Testing and Materials (ASTM).

75

4. Norma UNI EN 14766

4.1 Normative europee sulla sicurezza

Ogni azienda opera nel proprio campo con l’obiettivo di fornire prodotti al cliente finale

garantendo qualità e sicurezza, strumenti necessari al raggiungimento di tali obiettivi sono

le norme. Queste sono specifiche tecniche approvate da un organismo riconosciuto a

svolgere attività normativa, la cui osservanza non è obbligatoria. Esse, dunque,

descrivono le caratteristiche di un prodotto o servizio secondo lo stato dell’arte.

Le norme riguardanti la prova di biciclette vigenti in Italia sono norme europee stilate dal

CEN (Comitato Europeo di Normazione), esse sono state prodotte per far sì che tutte le

biciclette in circolazione abbiano gli stessi parametri di sicurezza. Nelle normative non ci

sono particolari specifiche riguardanti la progettazione bensì sono descritti i test da

effettuare sul prodotto. Il prodotto viene distinto in sottocategorie alle quali sono associate

norme apposite:

- EN 14764 "Biciclette da città e da trekking "

- EN 14765 "Biciclette da ragazzo "

- EN 14766 "Mountain bike "

- EN 14781 "Biciclette da corsa"

I test vengono effettuati sia sui singoli componenti, per verificarne la durata e la

resistenza, nonché nel complesso. 76

4.2 Telaio

Il telaio è l’elemento strutturale portante di una bicicletta, su di esso vi sono alloggiamenti

per i diversi componenti.

4.2.1 Test di resistenza statica Interasse tra le ruote

1. Freccia massima

2. Percussore di 22.5 kg

3. 180 mm

4. Rullo (massa max 1 kg)

5. Bloccaggio telaio

6.

Il test di resistenza statica su di esso deve essere effettuato con forcella anteriore

assemblata la quale, se dotata di un sistema di sospensioni a molla, questo deve essere

scarico. La sospensione posteriore invece deve essere precaricata con il peso equivalente

a quello esercitato da una persona di 80 kg seduta sulla sella, se non è possibile bloccare

le forcelle è possibile sostituirle in fase di test con un’asta di materiale e caratteristiche

meccaniche equivalenti. Si procede fissando la bicicletta in una posizione verticale e

montando alla base della forcella anteriore o dell’asta equivalente un rullo di dimensioni

standard e massa massima pari a 1 kg. Un percussore di 22,5 kg è posizionato a una

distanza dal rullo di 180mm e viene lasciato cadere, esso rimbalzerà fino a fermarsi sul

rullo. A questo punto vengono valutati i risultati del test. Esso è da ritenersi superati

quando a seguito di questi non si presentano crack o deformazioni permanenti nel telaio,

la freccia massima ammissibile misurata dagli assi delle ruote è di:

30mm a forcella montata;

• 10mm se vi è montata l’asta in sostituzione della forcella.

• 77

4.2.2 Test di resistenza a fatica con forza sui pedali

Montante rigido

1. Asta verticale

2. Cerniera a sfera

3. Braccio verticale

4. Tirante

5. Asse del tirante

6.

Il test con sollecitazione sui pedali è effettuato su telaio con sistemi di sospensione

assemblati, questi vengono regolati in modo da sollecitare il telaio con la massima

reazione. Il telaio è montato su montanti che la fissano ad un’altezza pari a quella che si

otterrebbe con ruote assemblate (con un errore ammissibile di ± 30mm), il collegamento

è effettuato con mozzo libero di ruotare, si monta quindi una coppia di pedali posizionati

e bloccati a 45° dall’orizzontale. Si preferisce talvolta utilizzare una forcella “manichino”

in sostituzione di quella anteriore per evitare che questa si danneggi una volta effettuato

il test. Su ogni pedale della coppia viene effettuato un ciclo di carico e scarico con valore

78

massimo della forza pari a 1000 N, questa è applicata in un punto distante 150 mm

10

dall’asse baricentrico verticale ed è inclinata di 7.5°. Il numero di cicli è .

Il test di fatica è superato se non si riscontra la formazione di cricche o fratture.

4.2.3 Test di resistenza a fatica con forza verticale

Rullo libero di ruotare

1. Barra d’acciaio

2. Sospensione bloccata

3. Montante

4.

Nel test di fatica con forza verticale il telaio è fissato su un montante collegato alla forcella

posteriore mentre viene utilizzato un rullo alla base della forcella anteriore per permettere

alla struttura di flettere sotto i carichi. La forza verticale dovrà essere applicata su una

barra rigida che simula il comportamento della sella, questa è montata nel cannotto in

modo da sporgere di un altezza h dipendente dall’altezza della sella del tipo di bicicletta.

Il ciclo di carico prevede una forza variabile da 0 N a 1000 N applicata a 70 mm dal punto

di intersezione tra l’asse del cannotto e l’asse della barra rigida.

79

5. Schematizzazione modello

Dopo avere descritto i materiali utilizzati per la realizzazione del telaio e prima di

approcciarsi all’analisi, si riporta una breve descrizione di come si è schematizzato il

modello (Fig. 5.1). Fig. 5.1 – Nomenclatura telaio

Tale schematizzazione prevede:

Il tubo orizzontale, obliquo, piantone, foderi orizzontali e verticali del telaio in

• bambù;

Il tubo sterzo, scatola movimento centrale, nodo sella e forcellini, provvisti di

• inviti in acciaio, ricoperti di composito.

Le estremità dei tubolari sono inserite negli inviti dei giunti (Fig. 5.2), e con l’utilizzo