Aquisizione Carichi Strada

8/18/2019 Aquisizione Carichi Strada

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Acquisizione su strada dei carichi su bicicletta da corsa per la definizione di

standard di prova a fatica

I. Orsingher, N. Petrone

Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova

via Venezia 1 – 35131 Padova

Keywords: racing bicycle, data acquisition, load spectra, fatigue test

SommarioIl lavoro presenta la metodologia di indagine adottata per la determinazione dei carichi sui principali

componenti strutturali di una bicicletta da corsa, orientata alla rilevazione sia dei carichi massimi che

degli spettri di carico significativi per la definizione di standard di prova a fatica.

Tramite applicazione di sensori estensimetrici e calibrazione dei canali su manubrio, forcella,

perno ruota anteriore, telaio e pedale sinistro, si sono registrate su strada le storie di carico derivanti daeventi tipici di un utilizzo amatoriale esperto. I due sistemi di acquisizione utilizzati hanno ridotto gli

effetti di disturbo su ciclista e bicicletta: i risultati sono stati analizzati in termini di valori massimi e di

range massimi di sollecitazione, nonché di correlazione tra canali differenti e di distribuzione di tipo

Level Crossing e conteggio Rainflow per la valutazione degli spettri di misura.

Per la forcella anteriore, il procedimento di previsione di vita a fatica ha consentito di stimare un

possibile valore di carico per una prova standard a fatica.

AbstractThe paper presents the adopted method for the load acquisition on main structural racing bicycle

components, aiming to the measure of the maximum loads and of the relevant load spectra for the

definition of fatigue standards.

By means of strain gauge bridges, after calibration of the channels applied to handlebar, fork, front

axle, frame and left pedal, the load histories were recorded on the road with racing expert amateur riders.

Two load acquisition systems were used in order to reduce the disturb on rider’s action and on the frame

stiffness: the obtained results were analysed in terms of maximum peak and range values, together with

level crossing analysis and rainflow counting for the evaluation of load spectra.

A fatigue life prediction was applied to the front fork to estimate a possible load level for a

standard fatigue test.

1. INTRODUZIONE

Nel settore delle biciclette da corsa, la produzione di un prodotto affidabile e sicuro è legata alla capacità di

garantire un elevato livello di sicurezza in ogni singolo componente durante la missione prevista dal mezzo.

Nonostante la grande attenzione alle problematiche di tipo biomeccanico o sportivo testimoniata dainumerosi lavori presenti in letteratura sulle bicicletta da corsa [1–3], principalmente basati su prove di pedalata

in laboratorio su biciclette strumentate, non sono disponibili dati relativi a misure estese di pedalata svincolata

su strada e dati estensivi sugli spettri di carico misurati: allo scopo di definire delle prove di resistenza a faticada inserire in standard di sicurezza del prodotto, si è dunque intrapresa una attività di ricerca in maniera analoga

a quanto già svolto su biciclette mountain bike [4–6].

La definizione della campagna di prove per le acquisizioni dati deve tenere conto della tipologia diprodotto a cui lo standard di sicurezza si rivolge: l’utente tipo è da considerarsi come il cicloamatore esperto che

utilizza la bicicletta con scopi non professionali e non competitivi. La coincidenza di fatto delle biciclette da

corsa utilizzate dalle squadre di professionisti con quelle in vendita a disposizione degli amatori, suggerisce

comunque un approccio conservativo e la scelta di tester professionisti e di percorsi tipici di competizioni

internazionali.

2. OBIETTIVO E METODO

Scopo del lavoro svolto era la rilevazione delle storie di carico su strada applicate ai componenti strutturali diuna bicicletta da corsa da utilizzare nella definizione di prove standard a fatica.


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XXX Convegno Nazionale AIAS – Alghero (SS), 12-15 settembre 2001

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Per perseguire l’obiettivo desiderato, si è predisposta una bicicletta da corsa strumentata con canali

estensimetrici posti sul telaio e su tre componenti strutturali dell’avantreno: manubrio, forcella e perno ruota

anteriore [7]. In aggiunta, si è strumentato il freno della ruota anteriore, allo scopo di individuare con precisione

gli istanti di azionamento del freno che vanno ad influenzare le forze all’avantreno. Si è infine utilizzato un

pedale dinamometrico precedentemente realizzato presso il DIM, Università di Padova [6] per la determinazione

dei carichi agenti al pedale sinistro.

Si sono eseguite delle prove di acquisizione dati su strada con ciclisti e percorsi considerati significativiper il target di utilizzo adottato. I due diversi sistemi di acquisizione utilizzati hanno consentito di rilevare i

carichi di pedalata su manubrio e pedali con il minimo effetto di disturbo al ciclista, ed i valori di sollecitazione

al telaio senza alcuna perturbazione legata al sistema di misura stesso [7].

Le analisi dei dati eseguite a posteriori hanno consentito la valutazione dei valori di picco e dei range di

sollecitazione ai diversi componenti, significativi per prove standard di tipo statico, nonché l’estrazione di

spettri di carico utilizzabili per la definizione di standard di prova a fatica.

3. DESCRIZIONE DEI CANALI DI MISURA APPLICATI ALLA BICICLETTA

Oggetto del lavoro è stata la bicicletta da corsa FRM, modello “FRM Scandium Super Speed”, con tubi del

telaio di produzione Easton in lega SC7000 Scandium (lega di alluminio 7000 contenente Scandio), avente

E = 69000 MPa, ν= 0,33. Gli spessori dei tubi molto contenuti (minimo 0,7 mm, massimo 1,8 mm) consentono

la limitazione del peso complessivo del telaio, pari a 1,050 kg. La bicicletta è stata equipaggiata con una forcellain carbonio: il peso totale della bicicletta è risultato pari a 6,825 kg , valore tra i più bassi della categoria.

La bicicletta è

stata strumentata con

canali estensimetrici ai

componenti principali,secondo due filosofie

differenti di misura: la

misura delle forze

applicate e la misura

delle sollecitazioni

nominali.Per i

componenti a diretto

contatto con le azioni

di carico quali la

forcella anteriore, il

perno ruota, la piega

manubrio ed il pedale,

si sono realizzati e tarati i ponti estensimetrici in modo da poter misurare in maniera disaccoppiata le forze

esterne applicate, sfruttando lo schema a trave dei

componenti stessi: in tal modo essi funzionano come

celle di carico di nota costante di taratura.

Per il telaio, caratterizzato da una geometria a

connessione multipla e dalla presenza di diverse forzanti,

si sono misurate le sollecitazioni di flessione e torsione in

corrispondenza di alcune sezioni nominali: gli

estensimetri sono stati applicati in corrispondenza delle

giunzioni potenzialmente critiche, ad una distanza dai

cordoni di saldatura sufficiente da evitare gli effetti locali

di concentrazione delle tensioni determinati dai piedi

stessi dei cordoni di saldatura. In tal modo si sono potute

misurare le deformazioni del materiale e si sono ricavate

le tensioni ed i parametri di sollecitazione delle tubazioni

del telaio. La distribuzione complessiva dei canalimisurati sulla bicicletta strumentata è descritta in fig. (1).

Per la misura dei carichi di pedalata si è utilizzato

un pedale dinamometrico, realizzato presso il DIM, Università di Padova [6], in grado di misurare le due

componenti di forza PN e PT applicate al pedale in direzione normale e parallela al piano pedale (2 canali

estensimetrici), assieme alla posizione angolare della pedivella rispetto al telaio e del pedale rispetto allapedivella (2 canali potenziometrici), come indicato in fig. (2). I segnali dei canali potenziometrici sono

Figura 2: Forze misurate dal Pedale Dinamometrico

PEDIVELLA

PEDALE

PT

PR

θR

PN

θ

CθP

Verticale

X

Z

Figura 1: Bicicletta da corsa con il sistema di riferimento

x

z

y

MANUBRIO7 canaliFORCELLA

4 canali

PERNO RUOTAANTERIORE

4 canali

TELAIO

11 canali

4 canali

PEDALE SINISTRO


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indispensabili per valutare la frequenza di pedalata

del ciclista e per eseguire la ricostruzione spaziale

completa dei carichi misurati dai canali

estensimetrici: in tal modo è possibile ottenere

dalle forze PN e PT misurate, i valori delle forze

sia nel sistema di riferimento solidale alla

pedivella, sia nel sistema di riferimento solidalealla bicicletta [6].

La piega manubrio è stata strumentata con 7

canali estensimetrici, come indicato in fig. (3): 4

canali estensimetrici collegati a ½ Ponte di

Wheatstone (due per ogni lato del manubrio)

consentono di misurare le forze Fx e Fz che

determinano la flessione del manubrio su due piani.

Sul lato destro del manubrio si è invece applicata

una rosetta estensimetrica, corrispondente a 3

canali estensimetrici a ¼ di Ponte, che consentono

di misurare la componente torsionale My.

La forcella presentava 4 canali

estensimetrici collegati a ½ ponte. In ogni singolostelo si sono applicati 2 canali estensimetrici

disposti su piani tra loro perpendicolari, in grado di misurare le componenti di forza che tendono a flettere gli

steli lungo il piano di simmetria della bicicletta (forza normale FN) e lungo il piano perpendicolare a questo e

passante per l’asse di sterzo (forza FY), in cui:

°⋅+°⋅= 18senFz18cosFxFN (1)

dove:

- 18° rappresenta l’angolo di inclinazione del cannotto sterzo rispetto l’asse z verticale;

- gli assi x,y, z hanno orientazione come in fig. (4).

Sul perno ruota anteriore, analogamente ad applicazioni di letteratura utilizzate per il MTB [4], sono stati

applicati 4 canali estensimetrici collegati a ½ ponte: i canali sono in grado di misurare le forze esterne Fx e Fz

che flettono il perno lungo i 2 piani tra loro perpendicolari xy (piano orizzontale) e yz (piano verticale

perpendicolare al piano di simmetria della bicicletta xz) come descritto in fig.5.

Figura 3: Canali estensimetrici al Manubrio

x

z

y

HRFZHRE00

HRE12

HRE24

HRFX

Figura 4: Canali Estensimetrici e Forze applicate sulla Forcella

FLFY

FRFN

FRFY

FLFN

x

z

y

x

z

y

FN

MZ

FY


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400

Il telaio è stato strumentato in

corrispondenza delle due giunzioni più sollecitate:

la giunzione al tubo sterzo, soggetta principalmente

alle flessioni nel piano di simmetria per effetto di

manovre (frenata), asperità stradali (buche, dossi,

pavé) e azioni di pedalata (oscillazione del ciclista

in piedi sui pedali), e la giunzione del movimentocentrale, soggetta principalmente alle torsioni e alle

flessioni fuori dal piano di simmetria legate

all’azione di pedalata.

I canali estensimetrici del telaio sono stati

applicati in una posizione sufficientemente vicina

al nodo della giunzione tubolare, dove vi sono le

maggiori deformazioni strutturali, ma

sufficientemente lontana dai cordoni di saldatura

per evitare l’effetto membranale locale e la

concentrazione delle tensioni legata al piede cordone. Come indicato in fig.6 b, la distanza adottata è risultata

pari a 20 mm.

In particolare, si sono applicati il ½ ponte estensimetrico denominato TTHMI sul tubo superiore (TOP)

alla giunzione con il tubo sterzo (HEAD) ed il ½ ponte estensimetrico denominato TDHMI sul tubo inferiore(DOWN) alla giunzione con il tubo sterzo (HEAD), in modo da misurare la flessione del telaio nel piano di

simmetria della bicicletta.

Alla giunzione del movimento centrale sono stati applicati 9 canali estensimetrici, come riportato in

fig.6: in ognuno dei due tubi è stata applicata una rosetta (identificata dai 3 canali con finale ..00, ..12, ..24) i cui

canali acquisiti come ¼ di ponte hanno consentito la valutazione delle componenti torsionali che l’azione di

pedalata del ciclista introduce nei due tubi. I 5 canali presenti al tubo obliquo (TDS) consentono la misura deidue momenti flettenti MI ed MO, del momento torcente MT e dello sforzo normale; i 4 canali (TSD) applicati al

tubo sella (SEAT) forniscono la misura del momento flettente fuori dal piano MO, del momento torcente MT e

dello sforzo normale.

Un canale estensimetrico è stato creato sul freno anteriore (BRFN): il canale, collegato a ½ ponte, è in

grado di misurare la flessione cui è soggetto l’archetto destro del freno nel momento in cui il ciclista opera unafrenata e si è reso necessario per la corretta taratura dei canali alla forcella, come di seguito illustrato.

Figura 5: Canali estensimetrici de l perno ruota anteriore

x

z

y

WLFX

WRFZ WLFZ

WRFX

TTHMI

20

20

TDHMI

TSDLE00TSDLE12

TSDLE24

20 20

TDSMO

TDSUEX

Figura 6: Canali estensimetrici del Telaio e Sollecitazioni locali misurate

x

z

y

Seat

Head

Top

Down

TDH

TTH

TDS

TSD

MI: Momento Flettente In Plane

MO: Momento Flettente Out of Plane

MT: Momento Torcente

TDSLE00

TDSLE12

TDSLE24

c)

b)a)

Legenda:

TSDUEX


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4. TARATURA DEI COMPONENTI STRUMENTATI

La taratura dei componenti eseguita in laboratorio ha consentito di risalire alle forze applicate ai componenti

durante i test nella campagna prove su strada.

Per tradurre i segnali dei canali estensimetrici – deformazioni locali ε – in segnali che corrispondono alleforze applicate al componente considerato, si è eseguita una taratura per valutare la matrice di risposta del

canale a tutti gli input di carico al quale questo è potenzialmente sensibile.Nel caso di più grandezze in input, è necessario disporre di un numero n di canali almeno uguale al

numero di m azioni forzanti indipendenti considerate. Se n>m si possono utilizzare le informazioni dei canali

aggiuntivi per ridurre l’errore di misura.

Le tarature sono state eseguite presso il laboratorio del DIM utilizzando l’unità HBM UPM 100, in modo

da assicurare una precisione anche di ordine superiore rispetto a quella degli acquisitori portatili utilizzati in fase

di campagna prove.La taratura eseguita consiste nell’applicazione di una rampa di valori noti di forza esterna sul

componente considerato nel punto di riferimento adottato, e nel registrare la risposta di ogni singolo canale

all’input imposto. Operando diverse misure del segnale, al variare delle forze imposte, attraverso analisi di

regressione lineare si sono ricavate le costanti di proporzionalità tra deformazione misurata dal ponte [µε] e

forze esterne applicate [N] secondo la relazione:

{ } [ ]{ }NF FS εµε =ε (2)

in cui [SFε] rappresenta una matrice nxn di sensibilità dei canali estensimetrici alle forze esterneapplicate.

Invertendo l’eq. (2), si è ottenuta la relazione:

{ } [ ]{ }µεε ε= FN HF (3)

in cui la matrice [HεF] rappresenta la matrice di taratura: idealmente, per un sistema di canali di misura

perfettamente disaccoppiato rispetto alle azioni unitarie di carico, la matrice è una matrice diagonale. Tramite

tale matrice nxn, sono stati elaborati i segnali dei canali estensimetrici {ε}µε, ottenendo così i valori delle forze

esterne {F}N che sollecitano il componente strutturale istante per istante.

Al variare delle condizioni di vincolo e carico di un componente, ovvero del sistema di forze che losollecita, variano le risposte del canali

estensimetrici agli input noti e vanno perciò

eseguite delle nuove tarature: nel caso della

forcella, i segnali dei canali estensimetricisono fortemente influenzati dalla presenza o

meno dell’azionamento del freno. Infigura(7) sono indicate le tarature eseguite

sulla forcella.

In particolare sono state eseguite le

tarature sia con ruota libera di ruotare (Fx

applicata nel punto 1, Fy, Fz, Mz nel punto 2)

sia con freno anteriore bloccato sulla ruota

ad impedire ogni possibile rotazione di

questa (Fx, Fy, Fz, Mz nel punto 2).

La differente risposta dei canali

estensimetrici presenti sulla forcella alla

stessa forza esterna, in effetti, è dovuta al

fatto che non appena i pattini del freno

toccano il cerchione della ruota, per lo

scambio di forze tra i due corpi varia l’andamento dei momenti flettenti lungo la forcella e di conseguenza varia

la risposta dei segnali estensimetrici. Nel caso della forcella, quindi, sono state calcolate due differenti matrici di

taratura; la “matrice di taratura in frenata” è stata utilizzata quando il segnale del canale estensimetrico del freno

superava un valore minimo e segnalava l’avvenuto azionamento del freno.

5. LA CAMPAGNA PROVE

La programmazione della campagna prove ha mirato alla rappresentatività sia dei tester che dei percorsi

identificati.

Si sono scelti tre tester in modo da misurare tre diversi livelli di prestazione sportiva: professionistico,sportivo di medio livello e amatoriale. I percorsi sono stati selezionati in modo da assicurare una distribuzione di

Figura 7: Taratura statica dei canali della forcella

Mz

Fz

Fx

FyFx

FB

PUNTO 2

PUNTO 1

FB

FyFx

Fx

Fz

Mz


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piano-salita-discesa e di asfalto-pavè corrispondente all’utilizzo

medio della bicicletta da corsa come riportato da ciclisti amatori

assidui.

Tre sono stati i circuiti prova in cui si sono svolti i test:

– Circuito dei Mondiali di ciclismo di Verona del 1999: 16,750 km

(piano 54%, salita 20%, discesa 26%);

– Circuito dei Colli Euganei (PD): 18,2 km (piano 48% salita 31%,discesa 21%);

– Circuito di Domegliara (VR): 7,85 km (piano 66%, salita 22%,

discesa 12%).

L’unione selettiva delle diverse registrazioni effettuate lungo

i tre circuiti di prova, ha consentito di ottenere un percorso virtuale

rappresentativo della missione prevista per una bicicletta da corsa.

I segnali dei canali estensimetrici sono stati registrati con due

differenti sistemi di acquisizione dati: SoMat 2100 – 10 canali

estensimetrici, 2 potenziometri del pedale, 8 bit, 4 Mb RAM – e

SoMat 2300 – 16 canali estensimetrici, 2 potenziometri pedale, 12

bit, 32 Mb RAM.

Nel primo caso si sono acquisiti i canali relativi al pedale ed

al manubrio; l’acquisitore è stato fissato in corrispondenza delportaborraccia per recare minor disturbo possibile al ciclista, come

indicato in fig. (8).

Nella configurazione SoMat 2300 sono stati acquisiti i canali relativi al pedale, al telaio, a tutti i

componenti strutturali (forcella, manubrio, perno) ed al canale del freno anteriore. Per evitare che l’acquisitore –

2,5 kg di peso – influenzasse il comportamento strutturale del telaio, in questo caso il SoMat 2300 è stato

posizionato all’interno di uno zaino che il ciclista portava sulle proprie spalle.Oltre ai canali estensimetrici si è utilizzato uno strumento distribuito commercialmente, denominato

SRM, in grado di riportare su un display al ciclista la cadenza, la potenza media di pedalata e la velocità della

bicicletta. I dati ricavati da questo strumento sono stati utilizzati per tracciare a posteriori l’azione del ciclista

durante ciascun test.

6. ANALISI DEI DATI ACQUISITII segnali acquisiti durante la campagna prove, dopo un’iniziale azzeramento, sono stati elaborati secondo due

differenti metodologie a seconda che si trattasse di canali su componenti strutturali o di canali del telaio.

Per i componenti si sono utilizzate le matrici di taratura, determinate in precedenza; dalla eq. (3) è

immediata la determinazione delle forzanti che generano il segnale dei canali estensimetrici.

I segnali relativi al telaio, invece, sono stati trasformati in tensioni locali attraverso le relazioni

costitutive: dalle relazioni fondamentali della flessione in una sezione circolare, ipotizzando le deformazioni

monoassiali (4)

ε⋅=σ E γ ⋅=τ G (4)

si ottengono le relazioni necessarie per il calcolo dei momenti flettente e torcente misurati in

corrispondenza dei punti critici del telaio:

( )rJEM nnf

−⋅⋅ε= ( )r

JGM pt⋅⋅γ = (5)

in cui: r è il raggio esterno della sez. circolare;

Jn-n il momento d’inerzia assiale rispetto l’asse neutro;

Jp il momento d’inerzia polare.

Dai segnali dei canali estensimetrici si sono quindi ricavati i segnali di forza (componenti) e di momento

flettente o torcente (telaio). Se da un lato i valori di forza misurati sui componenti sono estendibili ad altre

biciclette a prescindere dalle caratteristiche geometriche o dal materiale di cui sono realizzati, va sottolineato

che i valori così ottenuti di momento flettente alle posizioni indicate delle diverse giunzioni sono riapplicabili atelai di costruzione diversa solo se corrispondenti al telaio usato in termini di rigidezze relative dei diversi tubi

collegati ad una giunzione, essendo il telaio una struttura iperstatica a flessione e torsione.

Le prime analisi effettuate sui dati rilevati sono state analisi di riconoscimento delle diverse fasi di

misura e di identificazione fisica di eventi distinti, significativi delle diverse azioni di pedalata o manovra delciclista. A titolo di esempio si riporta in fig. (9) un tratto particolare delle prove sul circuito di Verona, al

termine della discesa delle Torricelle, in cui si possono apprezzare diversi azioni distinte.

Figura 8: Test nel Circuito dei

Mondiali di Verona, 09-10-1999; si

nota l’acquisitore SoMat 2100 montato

in corrispondenza del portaborraccia


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Il ciclista si trova al termine di una discesa, alla fine della quale vi è una curva a destra di 90°; si può

vedere come in discesa il tester non pedali (CRANK – angolo della pedivella) e operi una forte frenata (BRFN);

la forza di frenata si trasmette sia alla forcella (FN), sia alla giunzione del cannotto sterzo del telaio (TTHMI).

Dopo la curva il ciclista riprende a pedalare; l’azione sottopone la forcella ad una flessione laterale (FY)e sollecita la giunzione del movimento centrale ad un momento Out of Plane (TDSMO), flettendo il telaio

secondo un piano verticale e perpendicolare al piano di simmetria della bicicletta (piano yz – vedi fig. 6). Dopo

un breve scatto in piedi, il ciclista riprende la sua azione seduto sulla sella, come si vede da un generale

ridimensionamento delle forze nei diversi canali.

6.1. Determinazione dei carichi massimi nei diversi eventi

Grazie all’individuazione dei diversi eventi di una prova, si è successivamente eseguita una ricerca dei massimicarichi a cui sono soggetti i componenti strutturali e delle massime sollecitazioni che gravano sui punti più

critici dei tubi del telaio, al variare delle condizioni di utilizzo.

I risultati principali sono raccolti in tab. (1) per pedale e manubrio ed in tab. (2) per forcella e telaio.

All’interno delle tabelle si possono trovare i valori Peak e Range che caratterizzano il ciclo più gravoso per un

dato evento; Peak rappresenta il picco di valore assoluto massimo, tra i due estremi del ciclo, espresso con il suo

segno.

Tabella 1: Carichi massimi al pedale e al manubrio durante alcuni eventi tipici

Scatto in Piedi:

Partenza

[a] P = 0→ 350 W

V = 0→ 27 km/h

C = 0→ 104 CP/min

Pedalata in Piedi:

Tratto in Piano

[a] P = 320 W

V = 41 km/h

C = 87 CP/min

Pedalata in Piedi:

Tratto in Salita

[b] P = 415 W

V = 17 km/h

C = 75 CP/min

Frenata: Curva

di 90° a destra a

fine discesa[a]

V = 50→ 18 km/h

Eventi:Termini adottati:

-800

700Range

Peak

0

Peak / Range

Forza Normale FN

[N]839 / 914,5 859 / 935 1045 / 1065 -

PEDALE

SINISTRO Forza Tangenziale FT

[N]381 / 445 403 / 515 185 / 192 -

Forza Orizzontale Fx

[N]-136 / 194,5 -114 / 198 -76 / 136 67 / 73

Forza Verticale Fz

[N]-185 / 365 -164 / 325 -172 / 195 -129 / 119,5 MANUBRIO

Mom. Torcente My

[Nm]-16,6 / 30,4 -7,75 / 14,65 -10,9 / 19,5 -4,6 / 6,3

Legenda: [a] – Tester 1: Nazionale Racing under 23, peso 650 N, altezza 175 cm

[b] – Tester 2: Amatore Triathlon, peso 730 N, altezza 184 cm

TDSMO

FY

FRENATA, CURVA A DESTRA E SCATTO IN PIEDI SU TRATTO PIANEGGIANTE

BRFN

FN

TTHMI

CRANK310

[Nm]

[deg]

[N]

[µε]

[N]

[Nm]

-40

11

-63

290

-300

200

-2700

110

-120

80

-100

Figura 9: Andamento dei segnali di alcuni canali della forcella(FN, FY) e del telaio (TTHMI, TDSMO) duranteun’azione tipica del ciclista, caratterizzata da una forte frenata (BRFN) con successivo scatto (CRANK)


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Tabella 2: Carichi massimi alla forcella e al telaio durante alcuni eventi tipici

I valori dei canali TTHMI e TDHMI risultano esser positivi quando sono creati da forze FX applicate

alla forcella positive (vedi fig. 4).

I segnali denominati TDSMI e TSDMO sono ottenuti rispettivamente dalla combinazione dei canali

estensimetrici TDSLE00+TDSEX e TSDLE00+TSDUEX (vedi fig. 6b).

6.2. Analisi dei singoli canali: la pedalata

I dati ricavati dalle misure sono stati analizzati ai diversi

componenti per comprendere l’azione di pedalata durante le

sue diverse fasi. Dalla conoscenza delle forze di misura PN

e PT – cfr. fig. (2) –, si ricavano le forze di analisi PE e PP.

Come già descritto in un precedente lavoro [6], lacomponente PE, definita Efficace, è la componente che

genera momento motore durante la pedalata

(perpendicolare alla pedivella); la componente PP, invece,

non ha alcun effetto sul moto poichè agisce in direzione

parallela al braccio della pedivella.

In figura (10) si è riportato l’andamento dellaComponente Efficace PE al variare dell’angolo di pedivella

θc durante due differenti pedalate: ciclista in piedi e seduto

sulla sella. Si osserva come, per il tester di prova, la

componente PE passi dal valore massimo di circa 300 N,

angolo di pedivella θc=100° con ciclista seduto, al valore massimo di circa 650 N (per θc=135°) durante la fasedi pedalata in piedi. Tali rilevazioni giustificano l’attuale metodologia di prova a fatica delle pedivelle che sono

posizionate a 135° dalla verticale e sollecitate da carichi verticali pulsati verso il basso.

6.3. Analisi di correlazione tra canali diversi: forze alla forcella

La disponibilità di acquiszioni sincrone dei diversi canali consente una analisi di correlazione tra diverse

componenti di forza allo stesso componente e tra forze applicate a componenti diversi.

Scatto in Piedi:

Partenza

P = 0→ 300 W

V = 0→ 26 km/h

C = 0→ 95 CP/min

Scatto in Piedi:

Tratto in Piano

P = 0→ 600 W

V = 18 → 40 km/h

C = 0→ 100 CP/min

Pedalata in Piedi:

Tratto in Salita

P = 280 W

V = 22 km/h

C = 73 CP/min

Frenata:Curva di 90° adestra a fine

discesa

V = 50→ 18 km/h

EventiTermini adottati:

-800

700Range

Peak0

Peak / Range

Forza Normale FN

[N]373 / 333 415 / 446 379,7 / 311 -229,6 / 186

Forza Laterale FY

[N]-98 / 189 112,4 / 224,14 103 / 193 36,4 / 38,09FORCELLA

Mom. Sterzante Mz

[Nm]8,6 / 14,1 12,9 / 24,23 8,54 / 14,54 4 / 3,55

Mom. Flettente TTHMI

[Nm]19 / 9 32,9 / 38,3 15,5 / 11,8 -106 / 91,7

Mom. Flettente TDHMI

[Nm]24,4 / 25,2 19,3 / 23,7 25,5 / 18,.9 -50,55 / 37,2

Mom. Flettente TDSMI

[Nm]-9,2 / 13,7 -9,5 / 16,6 5,4 / 6,7 -44 / 20,5

Mom Torcente TDSMT

[Nm]8 / 15,4 6,7 / 12,3 3,75 / 7,5 -

Mom. Flettente TDSMO

[Nm]-71 / 93 -92,4 / 168 -52,4 / 84,5 -

TELAIO

Mom. Flettente TSDMO

[Nm]61 / 107,5 -72,6 / 144,2 54,2 / 106,4 -

Legenda: MI = Mom. In Plane – momento nel piano di simmetria della bicicletta;

MO = Mom. Out of Plane – momento nel piano verticale perpendicolare al piano di simmetria

Figura 10: Andamento della Componente Efficace di

Pedalata PE al variare dell’angolo di pedivella (peso tester=730N)

-50 CRANK [deg] 300

PE

[N]

700

-200

135°

100°


9/10


405

Con riferimento ad esempio alle forze applicate

alla forcella, si sono correlate la forza laterale FY e la

forza FN (fig. 4), come viene indicato in fig. (11).

Il segnale riportato fa riferimento ad tratto di

pedalata in piano con ciclista inizialmente seduto, che

successivamente opera uno scatto in piedi sui pedali.

Dalla figura si possono distinguere chiaramente ledue diverse azioni:

– la pedalata con ciclista seduto è rappresentata

da una zona ellittica che si sviluppa orizzontalmente; a

fronte di una variazione di FN dovuta alla leggera

oscillazione del baricentro del ciclista che flette il busto

durante la pedalata, vi è una minima variazione della

forza laterale FY;

la pedalata in piedi è visibile nell’andamento a V

orizzontale: in tal caso l’oscillazione legata al beccheggio

del ciclista (variazione di FN) risulta essere di maggiore

intensità e di frequenza doppia rispetto alla frequenza di rollio (variazione di FY) che il ciclista impone alla

bicicletta durante la tipica pedalata in “tilting” di +/- 10° circa [1].

La FY è principalmente legata alla componente di forza verticale alla ruota anteriore che flettelateralmente la forcella per effetto della sua stessa inclinazione di rollio.

7. ANALISI DEI DATI A FATICA PER LA DEFINIZIONE DI PROVE STANDARD

Le storie di carico rilevate su strada sono state analizzate allo scopo di estrarre le informazioni necessarie per la

definizione di standard di prova a fatica sui diversi componenti della bicicletta da corsa. Alcuni componenti

hanno mostrato stati di sollecitazione complessa: il manubrio, per effetto di azioni di torsione e flessione non in

fase, le pedivelle, per effetto dei carichi di direzione non fissa e legati indipendentemente ad azioni di pedalata e

irregolarità stradali, il telaio, per la molteplice criticità della giunzione di sterzo, sollecitata da frenate e buche, e

della scatola del movimento centrale, sollecitata dalla pedalata.

La forcella è risultata invece caratterizzata da uno stato di sollecitazione riconducibile ad una principale

azione di flessione da parte della forza FN, perciò di tale componente si riporta la procedura di analisi dei dati a

fatica e di definizione preliminare di una possibile prova standard.Per la definizione dello spettro di carico della forza normale all’asse sterzo FN, è stato ricostruito un

percorso virtuale di prova, ottenuto dall’unione dei differenti test operati in campagna prove. Il circuito finale è

caratterizzato da una lunghezza pari a L=26,4 km, con percentuali di piano – salita - discesa pari a 57,8% -

20,6% - 21,6%.

L’analisi di tipo Level Crossing della storia di carico della forza FN così ottenuta è riportata in fig. (12):

il fenomeno rivela un valore medio del carico pari a FN=150 N, anche se nella parte superiore del diagramma si

nota un flesso, corrispondente ad una addensamento di attraversamenti attorno al valore 300 N.

La forza FN = 150 N rappresenta la componente normale all’asse di sterzo del carico statico verticale del

sistema (ciclista + bicicletta) sulla ruota anteriore quando il ciclista pedala seduto sulla sella. L’azione del

ciclista in piedi sui pedali, con conseguente spostamento del baricentro e quindi aumento della percentuale di

forza scaricata sull’avantreno, è responsabile del flesso in corrispondenza a FN= 300 N.

-100

30

110

400FN [N]

F

Y

[ N ]

Figura 11: Andamento della Forza Laterale FY

applicata sulla Forcella in funzione della Forza

FN – vedi fig 4

Figura 13: Spettro di carico della forza FN e Curva di

Woehler virtuale. Figura 12: Level Crossing per la forza FN applicata

alla forcella.

SPETTRO DI CARICO DI FN

0

500

1000

1 10 102

103

104

106

N cicli

∆∆∆∆ FN

[N]

Spettro di Misura

Curva Woehler

virtuale

105

107 10

8

0 21000Crossings

-230

420

FN

[N]

LEVEL CROSSING di FN

0


10/10


406

I dati relativi alla forza FN corrispondenti al percorso di prova virtuale sono stati infine analizzati tramite

il conteggio Rainflow. In figura (13) è riportato lo spettro di carico di misura della forza FN in termini di range

e numero di cicli (∆FNi, ni). Noto lo spettro di misura del carico FN applicato alla forcella, corrispondente alpercorso virtuale adottato, e fissata una missione della forcella di 100'000 km ( pari a 10'000 km per 10 anni), si

è calcolato il numero di blocchi Nb per cui dovrebbe essere ripetuto lo spettro di misura per coprire la missione

prevista.

Con riferimento alle forcelle ottenute per saldatura, assumendo sulla base di precedenti analogheesperienze [8] una pendenza pari a k=5 per componenti saldati ed una somma di Miner pari a 0.5, si è ricercata

la curva di Woehler virtuale di una forcella in grado di superare la missione assegnata. In tal modo, con

riferimento ad un punto (∆FNrif , N rif ) per cui Nrif è stato preso pari a 100'000 cicli, corrispondente al numero dicicli adottati nella attuale normativa di prova a fatica delle forcelle di bicicletta normale ISO 4210, si è calcolato

per iterazioni successive il valore del punto ∆FNrif come sinteticamente descritto in quanto segue.

Per ogni livello di carico ∆FNi del blocco misurato, si è valutato il numero di cicli i-esimo Ni sulla curva

di Woehler Virtuale ed il corrispondente danno dni apportato al componente dagli ni cicli subiti:k

i

rif rif i

FN

FNNN

∆

∆⋅= (6)

i

ini

N

nd = (7)

Noto il numero di blocchi Nb si è calcolato il danno i-esimo dNbi relativo al singolo livello di carico

lungo tutta la vita della forcella (100'000 km) e quindi il danno totale dtot di tutto lo spettro di carico previsto nei100'000 km di vita.

bniNbi Ndd ⋅= (8) =i

Nbitot dd (9)

Ponendo il danno totale della forcella dtot pari alla somma di Miner adottata, dalle eqq. (6), (7), (8), (9) èpossibile ricavare il range ∆FNrif , punto di riferimento della curva di Wohler minima che soddisfa la missione

imposta. Tale valore è risultato essere ∆FNrif = 697 N, per cui una prova di flessione alterna su forcella definitasulla base di questa procedure richiederebbe un valore di forza FN pari a +/- 350 N per 100'000 cicli.

Il confronto con i valori di prova attualmente utilizzati dalle case costruttrici di forcelle in carbonio, FN

pari a +/- 600 N per 100'000 cicli, suggerisce una ulteriore analisi della procedura adottata, secondo due linee

principali: da un lato l’esecuzione di nuove misure con atleti professionisti di più alto livello, dall’altro lato la

valutazione del valore più significativo per prodotti non saldati ma realizzati in materiale composito sia della

pendenza di una curva a fatica su componente, sia del valore più opportuno per la somma del danno a rottura.

8. CONCLUSIONI

Il lavoro riporta il metodo seguito nella acquisizione su strada dei carichi applicati su componenti strutturali

dell’avantreno e delle sollecitazioni locali sul telaio di una bicicletta da corsa per utilizzo amatoriale esperto.

Si sono analizzati i carichi misurati sulla bicicletta, valutandone i valori massimi in tipiche azioni del

ciclista e le caratteristiche di correlazione tra i diversi canali misurati.Per la forcella, ipotizzando una pendenza della curva di Woehler pari a 5 e una somma di Miner a rottura

pari a 0,5 , si è ricavato il valore di prova di una possibile prova standard a fatica a partire dallo spettro di carico

della componente FN disponibile per il percorso misurato.

Bibliografia

[1] P.D.Soden, B.A.Adeyefa, Forces applied to a bicycle during normal cycling, Journal of Biomechanics, Vol.12, 1979

[2] C. Stone, M.L. Hull, Rider-bicycle interaction loads during standing treadmill cycling, Journal of Biomechanics 19 (1993) pp. 202-

218.

[3] C. Stone, M.L. Hull, The effect of rider weight on rider-induced loads during common cycling situations, Journal of Biomechanics 28(4) (1995) pp. 365-375.

[4] D.S.De Lorenzo, M.L.Hull, A Hub Dynamometer for measurement of wheel forces in off-road bicycling, Journal of Biomechanical

Engineering, Vol.121, February 1999

[5] Petrone N., Tessari A., Tovo R., Acquisition and analysis of service load histories in mountain bikes, XXV° Convegno Nazionale

AIAS, International Conference on Material Engineering, Lecce, 4-7 Settembre 1996.

[6] Lucchetta M., Petrone N., Progetto di un pedale dinamometrico per l’xacquisizione di carichi su biciclette fuoristrada, XXVII°Convegno Nazionale AIAS , Perugia, 8-12 Settembre 1998.

[7] Orsingher I., Acquisizione su strada delle storie di carico di componenti delle biciclette da corsa, Tesi di Laurea, Università di

Padova, 1999.

[8] N. Petrone, N. Biliato, G. Toselli, F. Fazi, Acquisizione ed analisi dei carichi su scooter 125 in prove su pista e su banco a rulli,

XXIX° Convegno Nazionale AIAS , Lucca, 6-9 Settembre 2000.

Aquisizione Carichi Strada

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