Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Maneggevolezza della motocicletta


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STUDIO DELLA MANEGGEVOLEZZA DELLA MOTOCICLETTA
CON IL CODICE MULTIBODY WORKING MOTION 3D
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Lorenzo Sangiorgi, un tesista del team del Prof. Cossalter dell'Università di Padova, Italia, ha fatto ricorso al Working Motion 3D e al Visual Basic per la sua tesi sulla stabilità e manovrabilità della motocicletta.

Introduzione

L’obiettivo che ci si propone è quello di realizzare un modello di motocicletta utilizzando il codice multibody Working Model 3D introducendo inoltre in esso un modello di pneumatico il più possibile aderente alla realtà.
Per questo, oltre al modello in WM 3D, è stato realizzato un programma in Visual Basic che calcola le forze e i momenti agenti sui pneumatici, istante per istante, in funzione degli angoli di deriva e rollio della moto e di tutte le grandezze caratteristiche del funzionamento dei pneumatici (rigidezze di rollio e deriva, slip longitudinale, ecc..) così come indicato dalla relativa teoria che non sarà ripetuta in questa sede.
La realizzazione del modello con Working Model 3D La realizzazione del modello è iniziata con il disegno degli elementi essenziali: il telaio, costituente il retrotreno della moto, il forcellone posteriore, la ruota posteriore, la forcella anteriore, la ruota anteriore.



Tali elementi sono stati quindi importati in un file di Working Model 3D in modo da poterli assemblare nel modo corretto.



Per l’assemblaggio si è fatto ricorso ai sistemi di vincolo predefiniti dal programma, che comprendono ad esempio giunti rotoidali, coppie prismatiche, molle, smorzatori, motori rotativi.



Per i valori da attribuire ai parametri caratteristici delle molle e degli smorzatori, così come per tutte le altre grandezze caratteristiche della motocicletta (masse, momenti di inerzia, posizione dei baricentri, dimensioni delle ruote) si è fatto riferimento ad una motocicletta reale, l’Aprilia RS 250. Al modello così realizzato sono quindi state applicate le seguenti forze: la forza di resistenza aerodinamica, la coppia di sterzo, tre forze e tre coppie su ogni pneumatico.

Il programma Motobike

Questo programma svolge le funzioni di calcolo delle forze sui pneumatici secondo il modello teorico, di controllo del modello attraverso la coppia di sterzo, di controllo della coppia da applicare alla ruota posteriore in funzione della velocità effettiva e di quella richiesta, il controllo dell’eventuale coppia da applicare sul freno anteriore.



I parametri modificabili per ogni pneumatico sono numerosi e comprendono le costanti della formula di Pacejka e le rigidezze di rollio e di deriva, parametri necessari per il calcolo delle forze laterali agenti sul pneumatico in presenza di rollio e deriva, oltre ai valori di rigidezza e smorzamento radiale, al coefficiente di attrito e alla lunghezza di rilassamento. Quest’ultimo parametro è necessario per l’integrazione dell’equazione differenziale che descrive l’andamento della forza laterale sul pneumatico durante i transitori.
Sono anche modificabili i parametri da cui dipendono i momenti di autoallineamento e di torsione.



Il controllo

La coppia da applicare allo sterzo per mantenere la moto in equilibrio e per percorrere una determinata traiettoria viene calcolata in funzione del rollio desiderato e di quello effettivo; il controllo è proporzionale alla differenza tra questi due valori e contiene inoltre un termine derivativo, ossia proporzionale alla velocità di rollio, che consente di ottenere una adeguata prontezza di risposta e rapidità di intervento.



Il calcolo delle forze

Il calcolo delle forze agenti sui pneumatici è affidato ad un modulo apposito all’interno del programma Motobike. Tale modulo calcola, per ogni ruota, inizialmente i versori della terna di assi cartesiani ad essa solidale, poi calcola i versori degli assi di rotazione ed infine la velocità di avanzamento, di rotazione e di strisciamento. L’algoritmo calcola quindi la forza verticale, quella laterale e quella longitudinale che agiscono sui pneumatici; infine il programma esegue il calcolo dei momenti agenti sulle ruote. Tutte le grandezze vengono calcolate prima per la ruota anteriore, poi per quella posteriore e applicate nei punti effettivi di applicazione in base al modello teorico.



Le caratteristiche del modello

Come si è già avuto modo di dire, il modello è stato realizzato avendo come riferimento una moto reale, l’Aprilia RS 250. Per quanto riguarda i pneumatici, invece, si è preferito adottare misure e caratteristiche diverse da quelle della moto reale. In particolare si è scelto di adottare una configurazione di base con ruota anteriore e posteriore uguali tra loro sia nelle dimensioni che per quanto riguarda la scelta di tutti i parametri caratteristici: rigidezza di rollio di rollirollio, rigidezza di deriva, costanti di Pacejka, ecc.

Le simulazioni

Una volta realizzato il modello e verificatane la funzionalità, si è potuto procedere con l’effettuazione di alcune prove il cui scopo è quello di verificare la maneggevolezza del motociclo ed in particolare come essa varia modificando alcuni parametri fondamentali della moto e dei pneumatici; si sono prese in considerazione quindi due condizioni di funzionamento:

  • l’inserimento in curva
  • lo slalom

    I parametri riguardanti i pneumatici che sono stati modificati nelle varie prove sono i seguenti:

  • rigidezza di rollio del pneumatico anteriore
  • rigidezza di rollio del pneumatico posteriore
  • rigidezza di deriva del pneumatico anteriore
  • rigidezza di deriva del pneumatico posteriore
  • raggio del toroide della ruota anteriore
  • raggio del toroide della ruota posteriore
  • inerzia assiale della ruota anteriore

    I parametri riguardanti la moto, invece sono:

  • avancorsa
  • inclinazione asse di sterzo
  • posizione del baricentro del retrotreno della moto

    Ogni parametro è stato fatto variare singolarmente e per ogni prova si sono verificate le variazioni di comportamento della motocicletta dallo studio dei diagrammi di alcune grandezze fondamentali:

  • la coppia di sterzo
  • la rotazione dello sterzo
  • il rollio
  • la velocità di rollio
  • le forze verticali anteriori e posteriori
  • gli angoli di deriva dei pneumatici
  • la velocità di imbardata
  • la traiettoria

    Si riportano infine a titolo di esempio una serie di diagrammi tipici ricavati dalle simulazioni.





    Cliccare qui per scaricare il filmato con l'animazione di questo veicolo


    Laureando: Lorenzo Sangiorgi

    Relatore: Prof. Vittore Cossalter, Università di Padova - Italia



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