Analisi strutturale e controlli non distruttivi di una smart wheel per un motociclo ad alte prestazioni

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

ANALISI STRUTTURALE E CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

DI UNA SMART WHEEL PER UN MOTOCICLO AD ALTE

PRESTAZIONI

Relatore: Prof. Gianpiero MASTINU Co-relatore: Ing. Michele CARBONI

Tesi di Laurea di Michele Muzzì Matricola 784175

« Filippo svegliati, ricordati che sei un uomo »

Indice

Sommario ______________________________________________________ XVIII Introduzione ______________________________________________________ XX Capitolo 1 Le ruote intelligenti _______________________________________ 2

1.1 - Scopo della smart wheel ___________________________________ 2 1.2 - Storia __________________________________________________ 3 1.2.1 - Il progetto Apollo _____________________________________ 5 1.3 - Sensori commerciali per misurare forze e momenti ______________ 6 1.4 - Sensori sviluppati al Politecnico di Milano ____________________ 11 1.4.1 - Design dei sensori del Politecnico di Milano _______________ 12 1.4.2 - Soluzioni costruttive del vincolo sferico traslante ___________ 14 1.4.3 - Calibrazione e prestazioni _____________________________ 17 1.5 - Pneumatici intelligenti e cuscinetti attivi _____________________ 18 1.5.1 - Pneumatici intelligenti ________________________________ 18 1.5.2 - Cuscinetti strumentati _________________________________ 19 Capitolo 2 Design _________________________________________________ 22 2.1 - Generalità _____________________________________________ 22 2.2 - Razze e giunti __________________________________________ 24 2.3 - Modellazione ___________________________________________ 27 2.3.1 - Modello analitico isostatico ____________________________ 28 2.3.2 - Modello analitico quasi-isostatico _______________________ 29 2.3.3 - Modellazione numerica ________________________________ 30 2.4 - Irrigidimento ___________________________________________ 30 2.4.1 - Motivi dell’irrigidimento: deformabilità e problemi 3 x giro ___ 31 2.4.2 - Scelta della modalità di irrigidimento ____________________ 33 2.4.3 - Forzamento dei dischi e relativa interferenza ______________ 35 2.5 - Strumentazione delle razze ________________________________ 38

2.5.1 - Ponte estensimetrico _________________________________ 38 2.5.2 - Posizionamento degli estensimetri ______________________ 39 2.6 - Geometria del mozzo e alloggiamento dell’elettronica __________ 40

Capitolo 3 Incollaggio _____________________________________________ 44

3.1 - Introduzione all’incollaggio _______________________________ 44 3.2 - Caratteristiche dell’adesivo _______________________________ 45 3.3 - Procedura incollaggio ___________________________________ 46 3.4 - Modellazione numerica dell’adesivo ________________________ 48 3.5 - Caratteristiche meccaniche _______________________________ 50 3.5.1 - Prova di Peel _______________________________________ 50 3.5.2 - Prova di Lap _______________________________________ 56

Capitolo 4 Verifica dell’incollaggio __________________________________ 60

4.1 - Definizione dei Modelli Globali ___________________________ 61 4.1.1 - Ritiro Termico a temperatura ambiente __________________ 66 4.1.2 - Modello di frenatura _________________________________ 78 4.1.3 - Modello di forza laterale ______________________________ 82 4.2 - Criteri di resistenza statica di giunzioni adesive _______________ 85 4.3 - Meccanica della frattura negli adesivi _______________________ 89 4.3.1 - Il metodo del J-integral _______________________________ 90 4.3.2 - Virtual Closure Crack Technique _______________________ 96 4.4 - Approccio numerico alla meccanica della frattura: Sottomodelli di ruota con difetti ______________________________________________ 104

4.4.1 - Sottomodello senza difetto ____________________________ 104 4.4.2 - Sottomodelli con fratture coesive ______________________ 105 4.4.3 - Sottomodelli con fratture adesive ______________________ 119 4.5 - Conclusioni __________________________________________ 129

Capitolo 5 Controlli ad Ultrasuoni __________________________________ 132

5.1 - Introduzione alle prove sperimentali _______________________ 132 5.2 - Scelta della strumentazione ______________________________ 134

5.2.1 - Taratura sul laminato in carbonio e scelta della sonda ______ 135 5.2.2 - Rilevatore _________________________________________ 141 5.3 - Provini per ultrasuoni ___________________________________ 142 5.3.1 - Realizzazione dei provini _____________________________ 145 5.4 - Modellazione della tecnica di controllo e previsione dei risultati __ 147 5.4.1 - Introduzione a CIVA V10.1 ____________________________ 147 5.4.2 - Simulazione del controllo sui provini ____________________ 148 5.4.3 - Simulazione del controllo sulla ruota ____________________ 152 5.4.4 - Conclusioni ________________________________________ 155 5.5 - Controlli US sui provini _________________________________ 156 5.6 - Controllo ad US della ruota _______________________________ 160 5.6.1 - Definizione della procedura di controllo _________________ 160 5.6.2 - Osservazioni sull’esito del controllo ____________________ 163 5.7 - Conclusioni ___________________________________________ 165

Capitolo 6 Instabilità _____________________________________________ 168

6.1 - Introduzione al problema di instabilità elastica ________________ 168 6.2 - Tecniche numeriche per la previsione dell’instabilità ___________ 169 6.2.1 - Analisi di Buckling lineare ____________________________ 170 6.2.2 - Analisi non lineari in Abaqus 6.12 ______________________ 171 6.3 - Previsione teorico-numerica del fenomeno di instabilità elastica dei dischi in carbonio _____________________________________________ 175

6.3.1 - Calcolo analitico teorico _____________________________ 175 6.3.2 - Analisi di Buckling lineare del disco interno ______________ 179 6.3.3 - Analisi non lineare del disco interno ____________________ 182 6.3.4 - Analisi termica non lineare ____________________________ 184 6.3.5 - Analisi di Buckling termico ____________________________ 188 6.4 - Conclusioni e proposte future _____________________________ 191 6.4.1 - Disco interno meno snello ____________________________ 192 6.4.2 - Irrigidimento dei dischi ______________________________ 193 6.4.3 - Dischi in materiale metallico __________________________ 195

Conclusioni generali ________________________________________________ 198 Appendice A Meccanica della frattura ________________________________ II

A.1 - Generalità di meccanica della frattura ________________________ II A.2 - Concetti di Meccanica della Frattura Lineare Elastica __________ III A.2.1 - Il criterio energetico _________________________________ III A.2.2 - Stato di tensione all’apice della frattura ___________________ V A.2.3 - Plasticizzazione all’apice della frattura _________________ VIII A.3 - Concetti di base di meccanica della frattura elasto-plastica ______ XI A.3.1 - Criterio energetico __________________________________ XI

Appendice B I controlli ad ultrasuoni _______________________________ XVI

B.1 - Generalità e principi fisici _______________________________ XVI B.1.1 - Grandezze caratteristiche del fenomeno _________________ XIX B.2 - Campo vicino e lontano _________________________________ XXI B.3 - Attenuazione ________________________________________ XXII B.4 - Riflessione e rifrazione _______________________________ XXIV B.5 - Rilevabilità dei difetti _________________________________ XXV B.6 - Trasduttori e strumentazione __________________________ XXVIII B.6.1 - Trasduttori per controlli US ________________________ XXVIII B.6.2 - Gli impulsi ultrasonori _____________________________ XXIX B.6.3 - Apparecchiature ___________________________________ XXX B.6.4 - Rappresentazioni __________________________________ XXXI B.6.5 - Mezzo di accoppiamento ___________________________ XXXIII B.6.6 - Zona Morta e sonde doppie _________________________ XXXIII B.7 - Correlazione con le caratteristiche del difetto _____________ XXXIV B.8 - Tecniche di Controllo ________________________________XXXV B.8.1 - Tecnica per trasmissione o per trasparenza ____________ XXXVI B.8.2 - Tecnica per riflessione ____________________________ XXXVI B.8.3 - Metodo a conduzione_____________________________ XXXVII B.8.4 - Tecnica per risonanza ___________________________ XXXVIII

B.9 - Difficoltà pratiche e scelta del metodo US opportuno ______ XXXIX B.10 - Controllo di incollaggi __________________________________ XLI

Appendice C Generalità di instabilità elastica _______________________ XLII Bibliografia ___________________________________________________ XLVIII Ringraziamenti ___________________________________________________ LIX

Elenco delle Figure

Figura 1.1 A sinistra, Igel WFT; a destra, prototipo WFT per ruota posteriore di un trattore agricolo ________________________________________________ 7 Figura 1.2 A sinistra, dispositivo RoadDyn con braccio di fissaggio montato su un’autovettura; a destra sopra, RoadDyn P650; a destra sotto, RoadDyn S625 _ 9 Figura 1.3 Sensor Developments Inc. serie 77016 _______________________ 10 Figura 1.4 Concept design del sensore: a) struttura isostatica; b) struttura con cerniera virtuale equivalente; c) reazioni isostatiche in corrispondenza dei giunti ______________________________________________________________ 12 Figura 1.5 Posizionamento degli estensimetri __________________________ 14 Figura 1.6 Ruota strumentata per trattore agricolo e particolare del cuscinetto in gomma ________________________________________________________ 14 Figura 1.7 A sinistra, ruota strumentata per veicolo off-road; a destra, ruota strumentata per auto con piastra flessibile _____________________________ 15 Figura 1.8 Cella di carico a sei assi, con particolare delle strutture a razze ____ 15 Figura 1.9 Realizzazione del vincolo di cerniera sferica traslante con due lamine sottili incrociate su una ruota per veicoli off-road _______________________ 16 Figura 1.10 Quadriciclo leggero Greenfun equipaggiato con quattro Smart wheel ______________________________________________________________ 17 Figura 1.11 Ruota in fase di calibrazione ______________________________ 18 Figura 2.1 Smart wheel per applicazioni motociclistiche _________________ 22 Figura 2.2 Schema isostatico della ruota ______________________________ 23 Figura 2.3 Andamento dello sforzo di Von Mises lungo la razza. L’origine dell’asse Z è situato nella zona di attacco della razza al mozzo [47]. ________ 25 Figura 2.4 Geometria della lamina tratta da un modello ad elementi finiti del giunto _________________________________________________________ 26 Figura 2.5 Schema di calcolo analitico _______________________________ 27 Figura 2.6 Esempio di risultato di un calcolo numerico sulla lamina ________ 27 Figura 2.7 Schema del modello isostatico _____________________________ 28 Figura 2.8 Schema del modello quasi-isostatico ________________________ 29

Figura 2.9 L’applicazione al centro ruota di una forza lungo Y (a sinistra) e di un momento attorno ad Y (a destra) sollecitano due ponti di Wheatstone differenti ______________________________________________________ 30 Figura 2.10 Vista in sezione della ruota: schema di irrigidimento del canale _ 31 Figura 2.11 Incremento di rigidezza radiale del canale con i dischi; soluzioni ottenute con analisi FEM. _________________________________________ 33 Figura 2.12 Dischi di irrigidimento: a sinistra vista laterale della ruota, a destra una foto della smart wheel ________________________________________ 34 Figura 2.13 Flessione su trave estensimetrata con configurazione a mezzo ponte _____________________________________________________________ 38 Figura 2.14 Flessione su trave estensimetrata con configurazione a ponte intero _____________________________________________________________ 39 Figura 2.15 Posizionamento degli estensimetri sulle razze _______________ 40 Figura 2.16 Geometria interna del mozzo ____________________________ 42 Figura 2.17 Montaggio dei componenti nel mozzo _____________________ 42 Figura 2.18 Assieme complessivo del mozzo__________________________ 43 Figura 3.1 Schema semplificativo dell’incollaggio. Al bordo esterno (rosso) si ha maggiore probabilità di cattivo incollaggio rispetto al bordo interno a sbalzo (verde) ________________________________________________________ 47 Figura 3.2 Tipica risposta sforzo-deformazione di un materiale iperelastico _ 50 Figura 3.3 Dimensioni e geometria dei provini di peel-test _______________ 51 Figura 3.4 Rappresentazione grafica del fillet size e dello strumento utilizzato per il suo controllo ______________________________________________ 51 Figura 3.5 Influenza del fillet size sulla forza F massima di rottura del giunto 52 Figura 3.6 Previsione mediante EF di una prova di peel, tratta da uno studio di terzi. _________________________________________________________ 54 Figura 3.7 Sopra la definizione del modello EF di peel test e sotto i relativi risultati in termini di sforzo normale in direzione dell’asse della macchina di trazione. ______________________________________________________ 55 Figura 3.8 Risultati simulazione numerica di peel ______________________ 56 Figura 3.9 Rappresentazione schematica della prova di lap test [58]________ 57 Figura 3.10 Esempio di soluzione agli EF ottenuto da uno studio di terzi [60] 58 Figura 4.1 Schema di vincolo adottato _______________________________ 65

Figura 4.2 Porzione di modello con relativa mesh; con colori differenti sono indicati i diversi materiali. _________________________________________ 68 Figura 4.3 Soluzione prevista dal modello assialsimmetrico _______________ 70 Figura 4.4 Andamento degli sforzi nell’adesivo lungo la larghezza della giunzione. Gli sforzi sono espressi in un sistema di riferimento cilindrico con asse coincidente all’asse del canale. __________________________________ 70 Figura 4.5 Andamento delle reazioni nodali al pattino ___________________ 71 Figura 4.6 Modello termico globale __________________________________ 72 Figura 4.7 Andamento degli sforzi nel disco interno con la coordinata angolare (per il disco esterno è analogo). _____________________________________ 72 Figura 4.8 Deformata e rappresentazione grafica degli sforzi risultati dal modello termico 3D ______________________________________________ 73 Figura 4.9 Soluzione del modello a 1/4 di cerchio _______________________ 74 Figura 4.10 Andamento degli sforzi nei dischi al variare della coordinata angolare. Agli estremi per θ pari a 0° e 180° gli sforzi si discostano dai valori attesi a causa dell’errore numerico introdotto dal pattino _________________ 75 Figura 4.11 Andamento degli sforzi nel disco interno al variare della coordinata radiale; per r pari a 79 e 187,5 mm ci si trova rispettivamente sul bordo esterno a contatto con il canale (su cui agisce la pressione di forzamento) e su quello interno (scarico) _________________________________________________ 75 Figura 4.12 Andamento degli sforzi negli adesivi (sopra quello interno e sotto quello esterno), in funzione della coordinata angolare ___________________ 76 Figura 4.13 Andamento degli sforzi nell’incollaggio interno lungo la larghezza di adesivo ______________________________________________________ 77 Figura 4.14 Rappresentazione in pianta della superficie di applicazione del carico verticale __________________________________________________ 79 Figura 4.15 Rappresentazione delle superfici di applicazione dei carichi, in giallo la zona di appoggio del tallone interessata dal carico verticale ed in verde la superficie su cui agisce la pressione di gonfiaggio ____________________ 80 Figura 4.16 Risultato dell’analisi di frenata ad 1/2 di cerchio ______________ 81 Figura 4.17 Soluzione del modello di forza laterale _____________________ 84 Figura 4.18 Massimo sforzo principale in un adesivo con 20 kN di carico applicato tratto da [67] ____________________________________________ 86 Figura 4.19 Integrali di contorno. Da sinistra a destra: corpo elastico, corpo con frattura, indipendenza del contorno __________________________________ 91

Figura 4.20 Tipico affinamento della mesh intorno alla frattura. La mesh dovrebbe essere sufficientemente fine da descrivere gli altri gradienti di deformazione intorno alla frattura __________________________________ 95 Figura 4.21 Schema per il metodo del lavoro di chiusura della frattura. _____ 97 Figura 4.22 Rappresentazione del metodo VCCT ______________________ 97 Figura 4.23 I due step tipici del Crack Closure Method __________________ 98 Figura 4.24 Modified Crack Closure Method in un solo step _____________ 99 Figura 4.25 Il rilascio di energia quando una frattura propaga di una certa quantità è pari all’energia necessaria per chiudere la frattura della stessa quantità ____________________________________________________________ 100 Figura 4.26 Frattura in puro modo 1 ________________________________ 101 Figura 4.27 Esempio di Bonded Nodes _____________________________ 103 Figura 4.28 Esempio di sottomodello numerico _______________________ 105 Figura 4.29 Spessore di colla: frattura coesiva semiellittica acuta _________ 107 Figura 4.30 Frattura coesiva semiellittica acuta e particolare della mesh adottata in prossimità della frattura adottata nei sottomodelli coesivi _____________ 109 Figura 4.31 Mesh utilizzata localmente nell’intorno della frattura. In colori differenti sono evidenziati i nodi appartenenti ai 6 countour su cui il software valuta i J integral _______________________________________________ 109 Figura 4.32 Convenzione di Abaqus circa la direzione di propagazione della frattura_______________________________________________________ 110 Figura 4.33 Convergenza del J integral sui countour ___________________ 111 Figura 4.34 Sopra: andamento degli sforzi all’apice della frattura. Sotto: andamento teorico tipo 1/r _______________________________________ 112 Figura 4.35 Andamento del J integral sul fronte della frattura; in alto a destra, la convenzione dell’asse delle ascisse. ________________________________ 112 Figura 4.36 Esempio di modello con difetto affiorante semicircolare ______ 113 Figura 4.37 J integral sul fronte della frattura per difetti affioranti semicircolari di diverse dimensioni ___________________________________________ 114 Figura 4.38 Esempio di modello con porosità nell’adesivo ______________ 115 Figura 4.39 Andamento del J integral su fronte della porosità al variare del diametro. _____________________________________________________ 115 Figura 4.40 Rappresentazione grafica delle direzioni di avanzamento a (verde), b (arancio), c (azzurro), d (viola) __________________________________ 117

Figura 4.41 Andamento di J integral su un lato del fronte della frattura al variare della direzione di propagazione ____________________________________ 117 Figura 4.42 Porzione di ruota (blu) e di colla (rosso) di un sottomodello con frattura doppiamente affiorante ____________________________________ 118 Figura 4.43 Andamento del J integral sui due lati del fronte della frattura doppiamente affiorante. A sinistra, per x=0, si trova il lato esterno compresso mentre a destra, a x=6.35 mm, si trova il lato interno teso. _______________ 118 Figura 4.44 Risultato tecnica VCCT frattura semiellittica affiorante _______ 122 Figura 4.45 Andamento dell’indice G sull’apice della frattura (G1 in rosso, G2 in giallo, G3 in verde, Gtot in nero e J integral in blu) __________________ 122 Figura 4.46 Convergenza dei risultati al diminuire della dimensione della mesh. Sull’ascissa è riportato sinteticamente il numero di EF racchiusi in un quadrato di lato 0.1 mm e centrato in un punto del fronte della frattura. ____________ 123 Figura 4.47 Andamento dei tre indici G relativi agli altrettanti modi di frattura _____________________________________________________________ 126 Figura 4.48 Andamento di Gtot sul fronte della frattura per tre difetti semicircolari affioranti di diverse dimensioni _________________________ 126 Figura 4.49 Andamento dell’indice G sui due lati del fronte di frattura; per x=0, si trova il lato interno teso mentre a destra, a x=6.35 mm, si trova il lato esterno compresso _____________________________________________________ 128 Figura 4.50 Risultati della simulazione di mancato incollaggio all’interfaccia 128 Figura 4.51 Sistema di sicurezza filettato per il contenimento dei dischi ____ 131 Figura 5.1 Problema dell’ingombro: due sonde Phased Array sulla ruota a confronto con gli spazi a disposizione _______________________________ 136 Figura 5.2 A-Scan da controlli con sonde Phased Array su un disco in carbonio _____________________________________________________________ 137 Figura 5.3 A confronto: sonda Krautkramer SEZ5M5, Phased Array lineare a 32 elementi ed una moneta da 5 centesimi. ______________________________ 139 Figura 5.4 A-Scan con sonda SEZ5M5 sul laminato non incollato _________ 140 Figura 5.5 Rilevatore digitale Gilardoni RDG 2500 ____________________ 141 Figura 5.6 Provini per US ________________________________________ 143 Figura 5.7 Geometria della ruota in prossimità delle giunzioni. Nel dettaglio sono mostrate le due mensole su cui appoggiano i dischi. ________________ 143

Figura 5.8 Tavola dei due supporti in magnesio. Le tolleranze dimensionali e di planarità hanno avuto lo scopo di evitare inflessioni durante la lavorazione alle macchine utensili. ______________________________________________ 144 Figura 5.9 Realizzazione dei provini _______________________________ 145 Figura 5.10 Posizionamento dei difetti ______________________________ 146 Figura 5.11 Provino durante la fase di polimerizzazione ________________ 146 Figura 5.12 Rappresentazione grafica della deviazione del fascio ultrasonoro sul raggio di raccordo del provino esterno ______________________________ 150 Figura 5.13 Soluzione della simulazione sul provino esterno ____________ 151 Figura 5.14 Confronto tra un B-Scan realmente ottenuto durante un’ispezione del provino interno (destra) ed uno simulato con CIVA (sinistra) _________ 152 Figura 5.15 Modello CIVA della ruota______________________________ 153 Figura 5.16 B-Scan relativi alle ispezioni simulate con CIVA ___________ 154 Figura 5.17 Dall’alto al basso: A-Scan simulati con CIVA in prossimità di un buon incollaggio, di tre porosità di dimensione crescente e del difetto rettangolare ___________________________________________________ 155 Figura 5.18 Tipiche risposte degli ultrasuoni sul provino interno _________ 158 Figura 5.19 Risposta del controllo in presenza dei difetti artificiali nei provini ____________________________________________________________ 159 Figura 5.20 Tipiche risposte agli ultrasuoni del provino esterno __________ 160 Figura 5.21 Risposte agli ultrasuoni dei controlli eseguiti sulla ruota ______ 161 Figura 5.22 Disegno in scala del controllo US (in rosso la sonda SEZ5M5) _ 162 Figura 5.23 Fotografie riproducenti alcune fasi del controllo ____________ 163 Figura 5.24 Stato della colla in prossimità dei difetti individuati con il controllo ____________________________________________________________ 165 Figura 5.25 Correlazione tra mancanza di bordino di colla e presenza di difetti ____________________________________________________________ 165 Figura 6.1 Rappresentazione grafica di un algoritmo di analisi non lineare _ 173 Figura 6.2 Immagine tratta dal “Roark’s Formulas” che rappresenta un disco forato soggetto a pressione esterna _________________________________ 175 Figura 6.3 Volume infinitesimo della struttura assialsimmetrica __________ 177 Figura 6.4 Andamento teorico degli sforzi radiali e circonferenziali nel disco interno _______________________________________________________ 177

Figura 6.5 Modello Abaqus del disco interno, in arancio il carrello utilizzato come condizione di vincolo e in viola la pressione critica esterna _________ 179 Figura 6.6 Convergenza dei primi sei autovalori _______________________ 180 Figura 6.7 Modi instabili del disco appoggiato e relativi autovalori ________ 181 Figura 6.8 Diagramma pressione esterna – spostamento radiale ___________ 183 Figura 6.9 Dall’alto: spostamento radiale del bordo esterno, pressione esterna e rigidezza in funzione del tempo dell’analisi __________________________ 183 Figura 6.10 Andamento reale (blu) e approssimato (rosso) del coefficiente C10

con la temperatura ______________________________________________ 185 Figura 6.11 Modello termico non lineare di mezzo cerchio ______________ 186 Figura 6.12 Spostamento radiale (sopra) e spostamento fuori piano (sotto) in funzione della temperatura di raffreddamento. ________________________ 187 Figura 6.13 Andamento dello sforzo radiale di pressione sul bordo esterno del disco ad una temperatura di 50° C __________________________________ 187 Figura 6.14 Modi instabili ricavati dall’analisi di Buckling termico lineare __ 190 Figura 6.15 Convergenza degli autovalori nell’analisi di Buckling termico __ 191 Figura 6.16 Primi quattro modi instabili ottenuti con un disco interno con foro di 240 mm di diametro _____________________________________________ 192 Figura A.1 Problema ingegneristico di meccanica della frattura ____________ II Figura A.2 Modi di apertura della frattura ____________________________ VI Figura A.3 Sforzi normali al piano della frattura nel Modo I _____________ VII Figura A.4 Prima approssimazione dell’andamento degli sforzi nella zona plastica _______________________________________________________ IX Figura A.5 Approssimazione maggiormente accurata della distribuzione degli sforzi in zona plastica _____________________________________________ X Figura A.6 A sinistra, effetto dello spessore sulla zona plastica, a destra, rappresentazione in sezione della zona plastica ottenuta con criterio di Von Mises ________________________________________________________ XI Figura A.7 Andamento tipico di JR e di J ____________________________ XIV

Figura B.1 Dall’alto al basso: onde longitudinali, trasversali, superficiali e di Lamb ________________________________________________________ XX Figura B.2 Campo vicino e campo lontano __________________________ XXI Figura B.3 Riflessione e rifrazione all’interfaccia ____________________ XXV

Figura B.4 Interazione del fascio ultrasonoro con ostacoli di piccole dimensioni. In verde è indicato il fascio incidente sul pezzo, in blu quello riflesso dal difetto ed in rosso la zona d’ombra. ____________________________________ XXVII Figura B.5 Segnale sinusoidale e impulso __________________________ XXX Figura B.6 Nelle tre immagini vengono mostrati graficamente i principi di una lettura A-Scan, B-Scan e C-Scan e le relative rappresentazioni _________ XXXII Figura B.7 Costruzione di una curva D.A.C. con blocchi campione a foro piatto per sonde a fascio longitudinale _________________________________XXXV Figura B.8 Situazioni di prova comuni affrontati con tecnica per trasparenza (a sinistra) e per riflessione (a destra) _____________________________XXXVIII Figura C.1 Due viste di una trave soggetta a carico di compressione _____ XLIII Figura C.2 Rappresentazione grafica di un’asta doppiamente incernierata _XLIV Figura C.3 Curva di Eulero a sinistra e curva di Johnson a destra ________XLVI

Elenco delle Tabelle

Tabella 2.1 Spostamenti radiali risultanti da analisi termiche ad EF _________ 36 Tabella 2.2 Valori di interferenza ottenuti da analisi ad EF _______________ 36 Tabella 2.3 Spostamenti radiali di dischi e parete interna del cerchio ottenuti da formula analitica (2.5) ____________________________________________ 37 Tabella 2.4 Valori di interferenza dei dischi ottenuti con formule analitiche __ 37 Tabella 3.1 Limiti di peel indicati dal fornitore relativi all’adesivo metacrilato utilizzato _______________________________________________________ 54 Tabella 4.1 Struttura dei layer di carbonio. L’angolo di rotazione dei tessuti è definito secondo un asse normale uscente al disco ______________________ 62 Tabella 4.2 Dati dei materiali _______________________________________ 63 Tabella 4.3 Proprietà elastiche del singolo tessuto in fibra di carbonio _______ 63 Tabella 4.4 Valore del coefficiente C1 alle due temperature di interesse _____ 64

Tabella 4.5 Caratteriste meccaniche dei tessuti nel nuovo sistema di riferimento ______________________________________________________________ 68 Tabella 5.1 Specifiche tecniche sonda Krautkramer SEZ5M5 ____________ 139 Tabella 5.2 Specifiche tecniche del rilevatore digitale Gilardoni RDG 2500 _ 142 Tabella 5.3 Caratteristiche acustiche dei materiali _____________________ 149 Tabella 6.1 Configurazioni dei tessuti di carbonio a confronto ____________ 169 Tabella 6.2 Ipotetica configurazione dei tessuti a 12 layer _______________ 193 Tabella 6.3 Temperature critiche della ruota con dischi in carbonio irrigiditi _ 194 Tabella B.1 Caratteristiche e velocità degli US nei materiali interessati dal presente lavoro _______________________________________________ XVIII

Sommario

Il presente lavoro di tesi verte sulla progettazione e la risoluzione di problematiche riscontrate durante la realizzazione di una smart wheel, il cui scopo è la misura in tempo reale delle forze e delle coppie nelle tre direzioni scambiate tra il centro ruota e il terreno. Si tratta di una ruota anteriore, che trova applicazione nel contesto dei test della categoria MotoGP. Per compensare la cedevolezza della ruota, il cerchio è stato irrigidito tramite dischi in fibra di carbonio incollati alla ruota stessa e calettati con interferenza nel canale. Il tema principale è la valutazione del corretto funzionamento dell’irrigidimento progettato.

In una prima fase è stato analizzato l’incollaggio mediante un approccio della meccanica della frattura, al fine di essere in grado di giudicare tramite controlli non distruttivi la presenza di difetti e la loro accettabilità.

Le ispezioni ad ultrasuoni hanno consentito di identificare gli eventuali difetti derivanti dalla procedura di incollaggio dei dischi. È stata necessaria una complessa interpretazione della risposta delle sonde, a cui si è giunti grazie al controllo su provini riproducenti le geometrie del giunto incollato ed a simulazioni numeriche.

Infine si è cercato di prevedere numericamente i fenomeni di instabilità elastica che i dischi manifestavano visibilmente; quindi sono state proposte alcune soluzioni di progetto alternative che consentano di evitare l’instabilità.

Introduzione

Una smart wheel è una ruota strumentata progettata con il fine di compiere misure real time delle forze e dei momenti agenti all’interfaccia ruota-terreno nelle tre direzioni: si tratta in sostanza di un sensore multi-assiale in grado di misurare i carichi agenti al centro ruota. La misura in tempo reale delle forze agenti alle ruote può fornire informazioni molto preziose per analizzare e controllare il comportamento del veicolo, nello specifico una moto per competizioni sportive. La misura di queste forze non rappresenta un obiettivo fine a se stesso, ma è funzionale alla messa a punto di sistemi innovativi per il controllo della frenata e della stabilità o alla valutazione oggettiva di nuovi componenti testati sul veicolo. Un miglioramento del controllo del veicolo potrebbe riflettersi positivamente anche sulle prestazioni (handling). La maggior parte degli algoritmi oggi utilizzati in Vehicle Dynamics Control (VDC) si basa su misure istantanee dello stato del veicolo (come velocità e accelerazioni), quindi lo sviluppo di sistemi di controllo attivo sempre più efficienti deve necessariamente passare per la conoscenza in tempo reale delle forze che agiscono sugli pneumatici. Lo studio di strumenti capaci di indicare cosa avviene all’interfaccia pneumatico-strada può consentire di migliorare significativamente le prestazioni dei normali sistemi di controllo e il comportamento del veicolo in ogni condizione di guida.

Il progetto in questione rientra in un programma più ampio, condotto negli ultimi anni dal Politecnico di Milano, presso il Laboratorio per la Sicurezza dei Trasporti (La.S.T), che ha portato alla realizzazione di ruote per diverse tipologie di veicoli (autoveicoli, veicoli off-road, trattori agricoli). Quella in oggetto è dedicata all’applicazione su moto da competizione ed è stata concepita seguendo la linea progettuale di quelle passate. Sono stati richiesti accorgimenti ad hoc per via delle elevate velocità, della richiesta di una massa particolarmente ridotta, accompagnata comunque da un’elevata rigidezza. Proprio la rigidezza necessaria ha portato al calettamento forzato nel cerchio di opportuni dischi di irrigidimento, tema principale di questo lavoro.

Il testo si compone di sei capitoli, in cui relativi argomenti sono esposti all’incirca con l’ordine temporale con cui sono stati affrontati, ottenendo una disposizione più intuitiva per il lettore. Il primo capitolo costituisce una storia della smart wheel e le differenti proposte in tema di ruote intelligenti, realizzate dai vari centri di ricerca. In particolare sono descritte più approfonditamente le ruote sviluppate dal Politecnico di Milano negli ultimi anni, di cui questa smart wheel fa parte e ne condivide la linea progettuale.

Il secondo capitolo è un’introduzione al design della ruota, necessario per comprendere le questioni e le esigenze di progettazione affrontate in seguito. Il cerchio, in magnesio, ha tre razze collegate al canale tramite lamine elastiche. Ogni razza, in prossimità dell’attacco al mozzo, è strumentata con quattro estensimetri, collegati a formare sei mezzi ponti di Wheatstone. La geometria delle razze, delle lamine e la posizione di applicazione degli estensimetri sono frutto di considerazioni, analisi teoriche e numeriche che hanno consentito di ottenere le migliori prestazioni della ruota. Dai segnali di tensione in output, è possibile risalire, mediante matrice di calibrazione, alle forze a centro ruota, nel riferimento della ruota. L’angolo di rotazione, necessario per proiettare le forze misurate in un riferimento assoluto fisso a terra, è fornito da un encoder. L’elettronica di condizionamento e acquisizione dei segnali, poi trasmessi wireless alla centralina posta a bordo della moto, è completamente integrata nel mozzo, dove si trovano pure le batterie per l’alimentazione e l’encoder. Per incrementare e uniformare circonferenzialmente la rigidezza radiale del canale, si procede all’incollaggio di quattro dischi in carbonio in sedi opportunamente ricavate nel canale stesso. Le tolleranze dei diametri esterni dei dischi consentono di ottenere un certo valore di interferenza con le pareti interne del canale. Il presente lavoro è incentrato proprio a garantire il corretto irrigidimento e, nello specifico, si è cercato di dare risposte a quesiti incontrati durante la progettazione dei dischi.

Il terzo capitolo è dedicato interamente alla descrizione dell’adesivo impiegato nell’unione dei dischi con il canale della ruota. La colla è un metacrilato con elevate prestazioni meccaniche, adatto all’unione di due materiali molto differenti tra loro (magnesio e composito), in grado di resistere alle elevate temperature di esercizio delle parti e con una buona tenacità. La necessità di ottenere un accoppiamento forzato tra parete del canale e circonferenza dei dischi ha richiesto di definire una particolare procedura tecnologica. Il processo di incollaggio, per sua natura, comporta una certa sovrabbondanza di colla sul lato libero dell’appoggio del canale, che si rivela positivo per la resistenza stessa del giunto, mentre è sfavorito l’incollaggio al lato incastrato. Prima di affrontare analisi numeriche ad elementi finiti della ruota completa, si è dovuta cercare una definizione del comportamento del materiale costituente la colla. Dall’esperienza, ci si è ricondotti ad una definizione di solido iperelastico, più adatta per un polimero rispetto all’usuale ipotesi di linearità elastica. Sono state descritte le prestazioni meccaniche della colla, espresse in termini di risultati a test sperimentali, quindi si è esposta la relativa normativa disciplinante le procedure da adottare durante le prove.

Dal quarto fino al sesto ed ultimo capitolo, si entra nelle più importanti attività svolte durante questi mesi di ricerca. Sono state raccolte le informazioni teoriche necessarie alla comprensione degli argomenti, ottenute sia da nozioni ampiamente accettate da tempo, che da studi recenti eseguiti da importanti

autori del settore. Le analisi numeriche hanno rivestito un ruolo fondamentale alla descrizione dei fenomeni di interesse. Nello specifico, sono stati implementati modelli ad elementi finiti impiegando il software Abaqus CAE 6.12.

La verifica della giunzione ha richiesto di analizzare tutte le situazioni di carico in cui la ruota può trovarsi, allo scopo di identificarne la più critica. Tuttavia, le sollecitazioni esterne derivanti dall’utilizzo in esercizio della ruota comportano uno stato di sforzo nella colla trascurabile rispetto a quello prodotto dall’interferenza dei dischi a temperatura ambiente. Per quanto riguarda la previsione della tenuta della giunzione, una verifica di tipo classico, basata sullo stato di sforzo, è risultata insoddisfacente. È stata eseguita un’approfondita ricerca in tema, da cui sono stati proposti alcuni criteri di cedimento delle giunzioni incollati; le verifiche proposte hanno indicato un margine di resistenza dell’adesivo del 30-40%, ma con notevoli fonti di incertezza. Ciò ha comportato la necessità di cercare una risposta di verifica tramite un approccio di meccanica della frattura. Nel caso di adesivi, la rottura può avvenire secondo altre modalità differenti da quelle usuali. Nello specifico, grazie a conferme di carattere sperimentale, è stato possibile focalizzarsi su due tipologie modalità di rottura, una coesiva, con difetto situato completamente nello strato di colla, ed una adesiva, con difetto all’interfaccia con il magnesio. Le fratture coesive sono state affrontate tramite metodo del J integral, mentre le fratture adesive con una tecnica detta Virtual Crack Closure Technique. Nonostante le due tecniche numeriche impiegate per due modalità di rottura differenti, le stime del tasso di rilascio di energia sul fronte della frattura hanno restituito risultati coerenti tra loro. A causa di evidenti problemi in termini computazionali, i difetti non sono stati inseriti in un modello completo della ruota. A partire dalla soluzione ottenuta nel caso di interferenza dei dischi a temperatura ambiente, sono stati costruiti sottomodelli numerici, costituiti da una porzione di ruota nell’intorno della giunzione. Ciò ha consentito di ottenere minori costi computazionali, già notevolmente incrementati dall’inserimento dei difetti e delle mesh che richiedono. Nel corso del lavoro si è osservato che gli sforzi presentano dei massimi agli estremi del cordone di colla, mentre sono approssimativamente nulli in mezzeria. Da ciò è conseguito che le tipologie di fratture più pericolose sono quelle situate in prossimità dei bordi del cordone, ovvero quelle affioranti ad un lato, rispetto a quelle interamente situate nella larghezza di adesivo, come bolle di aria. Sono state considerate differenti dimensioni di difetti, fino ad un massimo di cattivo incollaggio di un’ampia porzione del giunto. Riferendosi a dei limiti critici, ricavate dalla letteratura, le situazioni simulate sono risultate apparentemente verificate. Dagli indici calcolati numericamente inferiori del limite teorico supposto, è stato ragionevole supporre che non avvenga propagazione del difetto. Le informazioni ricavate in questa fase sono state utili

in un secondo momento, quando la ruota e gli incollaggi presenti sono stati ispezionati con un controllo di qualità ad ultrasuoni.

In laboratorio è stato concepito un procedimento di controllo degli incollaggi dei dischi tramite ultrasuoni. Informazioni molto importanti sul comportamento del sistema sono state ricavate non solo dalla letteratura, ma anche attraverso l’ispezione ad ultrasuoni di provini opportunamente disegnati. I provini sono stati concepiti come una striscia di carbonio incollata su un supporto in magnesio, riproducente la reale geometria del canale. È stato possibile confrontare il comportamento agli ultrasuoni a differenti frequenze, al fine di scegliere la sonda più adatta al controllo. Oltre alle prestazioni del controllo, il trasduttore ha dovuto soddisfare necessità pratiche di ingombro causate dai ridotti spazi a disposizione per esaminare le superfici del carbonio interessate dalla colla. La scelta è ricaduta su una delle sonde più piccole disponibili in mercato con delle caratteristiche acustiche molto interessanti per le prove in oggetto, tanto che è stato possibile identificare tutti i difetti artificiali inseriti nei provini, anche quelli di dimensioni più piccole. Il vero esame ad ultrasuoni della ruota ha rivelato problemi pratici legati agli ingombri della sonda, che deve essere manovrata manualmente, e all’accessibilità delle giunzioni da controllare. È stato possibile determinare solamente una mancanza di adesione per una certa estensione del giunto, ma non piccole porosità ai bordi; rimuovendo i dischi, sono stati confermarti in maniera evidente i risultati del controllo non distruttivo. In particolare, è apparsa un’interessante correlazione tra l’assenza di adesione e la mancanza del bordino di colla generato in fase di produzione dalla sovrabbondanza di metacrilato, che tende a fuoriuscire dal lato libero dell’appoggio del canale. Si può affermare che il controllo sia andato a buon fine e che ben si presti alla localizzazione di incollaggi di cattiva qualità, di contro gli ultrasuoni non hanno permesso di identificare difetti di piccola entità, come quelli simulati agli elementi finiti. Tuttavia, a partire dalle soluzioni delle simulazioni numeriche, la soglia di rilevabilità del controllo è dimostrata inferiore alla soglia di resistenza della giunzione.

Per ultimo, è stato condotto uno studio al fine di una previsione più esaustiva possibile dell’instabilità elastica a cui dischi sono soggetti a temperatura ambiente. La pressione esterna, generata dall’interferenza, cresce notevolmente a basse temperature, fino modificare la deformata in equilibrio dei dischi. Lo studio è stato affrontato per step; partendo dalle ipotesi più semplificative possibili, si è via via introdotta l’intera complessità del sistema, al fine poter monitorare i risultati ottenuti ad ogni fase del lavoro. L’instabilità tende principalmente a manifestarsi a basse temperature, ma qualora un raffreddamento della ruota dovesse causarne la comparsa anche in esercizio, il funzionamento dei dischi verrebbe compromesso. Superato il carico critico, i dischi divengono meno rigidi. A questo si aggiunge la pericolosità del danneggiamento della strumentazione alle razze: le deformate instabili

presentano elevati spostamenti fuori piano, che portano dischi in contatto con gli estensimetri ed il relativo cablaggio. Gli strumenti più utili ai fini della previsione del fenomeno sono stati analisi numeriche non lineari e analisi di buckling termico. La prima ha consentito di monitorare solamente il primo modo instabile, mentre la seconda di determinare contemporaneamente tutte le deformate instabili e le relative temperature critiche, a scapito di un’approssimazione lineare. Proprio grazie alle analisi di buckling lineare si è stati in grado di proporre alternative costruttive che evitino la comparsa di modi instabili dei dischi a temperatura ambiente. Si è valutata l’ipotesi di variare le geometrie dei dischi, a scapito di un minore irrigidimento del canale, di aumentare spessore e caratteristiche meccaniche del laminato oppure di considerare l’adozione di dischi in materiale metallico.

Capitolo 1

Le ruote intelligenti

La ruota intelligente è uno strumento in grado di misurare le tre forze e i tre momenti che agiscono all’interfaccia pneumatico-strada. La misura delle forze di contatto tra le ruote e la strada è di fondamentale importanza per la progettazione di sistemi di controllo del veicolo e la smart wheel ben si adatta alle esigenze di miglioramento della sicurezza dei veicoli, oltre che delle prestazioni in termini di handling e di comfort (cfr. [1], [2], [3], [4], [5], [6]). In particolare, ci si riferisce all’area della sicurezza attiva, che comprende tutto ciò che aiuta a scongiurare il verificarsi di un incidente (come ABS e ESP) e si distingue dalla sicurezza passiva, che include i dispositivi che intervengono quando non è più possibile evitare il sinistro, per ridurne il più possibile le conseguenze (telaio, cinture di sicurezza, air bag). Le informazioni date dalla ruota, consentendo di stimare le tre forze e i tre momenti, possono condurre ad un considerevole miglioramento delle performance di sistemi di controllo dinamico del veicolo (VDC) rispetto alle logiche attuali. Si possono sviluppare strategie di controllo di nuova generazione, che mirino a sfruttare tutte le informazioni rese disponibili dalla ruota: si prevede un innalzamento del livello di sicurezza attiva e delle prestazioni, derivante dalla misura in tempo reale di forze e momenti alle ruote.

1.1 -

Scopo della smart wheel

Sebbene siano stati fatti miglioramenti nel corso degli ultimi anni nell’ambito delle smart wheel, questa tecnologia chiave non è ancora stata sviluppata in pieno. La concezione di una ruota intelligente prevede sensori incorporati nella ruota stessa, che consentano di stimare i carichi alle ruote, il coefficiente d’attrito all’interfaccia pneumatico-terreno o l’angolo di deriva. È possibile dotare di tali sensori una vasta gamma di veicoli, che spaziano dall’automotive fino agli autocarri, passando per i veicoli passeggeri e veicoli commerciali leggeri. Sono state inoltre approntate soluzioni anche per trattori agricoli e veicoli off-road ed esistono applicazioni anche in campo motociclistico, sia su mezzi di serie sia su prototipi da competizione.

La misura delle forze di contatto scambiate tra terreno e ruota è essenziale per il design del sistema di controllo del veicolo, i cui scopi finali dipendono dagli ambiti applicativi: per veicoli passeggeri e commerciali, si mira principalmente alla sicurezza del veicolo ed al comfort, mentre nel contesto delle competizioni sportive, o comunque per veicoli prestazionali, l’attenzione si focalizza anche sul miglioramento delle performance del mezzo. Disporre di ruote intelligenti

presenta anche altri vantaggi (inerenti sia la sicurezza dei trasporti sia le infrastrutture), di seguito elencati:

- conoscenza in tempo reale delle forze scambiate tra pneumatico e strada, che permette di migliorare le logiche di controllo del veicolo (VDC), a supporto della sicurezza attiva di autoveicoli, motoveicoli e autocarri;

- sviluppo di una nuova generazione di sistemi per evitare il bloccaggio delle ruote in fase di frenata (ABS) e di sistemi di controllo diretto del momento d’imbardata (DYC);

- caratterizzazione degli pneumatici e identificazione del massimo coefficiente d’attrito disponibile all’interfaccia ruota-terreno;

- validazione di modelli sulla dinamica dei veicoli;

- possibilità di monitorare il degrado del manto stradale, misurando le forze cui è soggetta la superficie stradale al passaggio di autocarri e mezzi pesanti opportunamente strumentati. Ciò permette di limitare il consumo e il deterioramento delle strade, con un sensibile guadagno in termini di sostenibilità ambientale, oltre a ridurre la pericolosità delle strade (presenza di buche);

- conoscenza dei dati relativi al carico di veicoli commerciali e autocarri, derivante dalla possibilità di stimare la massa gravante su ogni ruota, che può essere mediata per calcolare la massa complessiva; il valore stimato sarebbe trasmesso ad un centro di controllo e in questo modo tali veicoli potrebbero circolare lungo le strade monitorati da un sistema GPS, senza la necessità di fermarsi in stazioni di pesatura;

- stima della massa di ogni veicolo, che può essere inviata tramite GPS ad una stazione di controllo generale, e in caso di veicolo sovraccarico il conducente può essere avvertito che la capacità di carico delle ruote ha raggiunto il limite e che vanno prese delle contromisure [7].

1.2 -

Storia

Sebbene giochino un ruolo cruciale sulla sicurezza e sulla stabilità, le ruote, ed in particolare gli pneumatici, sono sempre stati degli elementi passivi, cioè che non consentono di attuare qualsiasi tipo di controllo attivo sul comportamento del veicolo. Le ruote sono state incluse come parte del sistema di controllo in ritardo rispetto ad altri sottosistemi; per fornire le informazioni necessarie sulle caratteristiche dell’area di contatto ruota-terreno, è indispensabile che la ruota diventi parte di un sistema intelligente, che integra anche altri sottosistemi del veicolo. Per raggiungere questo obiettivo si devono combinare attività di modellazione, strumentazione, calibrazione, acquisizione e analisi dei segnali,

sviluppo di algoritmi di controllo. Nel campo delle ruote intelligenti, i Time Pressure Monitoring Systems (TPMS) sono stati i primi ad essere introdotti sul mercato, con i primi brevetti che risalgono al 1985 [8]. A partire da allora, sotto lo stimolo delle Case costruttrici, sono stati sviluppati numerosi nuovi sistemi. La funzione di base dei TPMS è il monitoraggio della pressione di gonfiaggio degli pneumatici e della temperatura. Il range delle possibili soluzioni comprende vari sistemi, alimentati da batterie e installati sul canale o sulla valvola, che trasmettono i dati dei sensori alla centralina posta sul veicolo. Monitorare la pressione di gonfiaggio è importante per la sicurezza, infatti, quando si sgonfia uno pneumatico posteriore, tende ad abbassare l’handling curve ad esso relativa, con il rischio di rendere il veicolo sovrasterzante ed instabile.

Benché i sistemi TPMS consentano di raggiungere un nuovo livello di sicurezza, essi non sono in grado di fornire informazioni essenziali sulle caratteristiche del contatto ruota-strada. L’azienda produttrice di pneumatici tedesca Continental nel 1999 ha introdotto il sensore di torsione della spalla (SWT), che permette di misurare la deformazione della spalla del pneumatico e di stimare le forze agenti tra ruota e strada [9]. Di conseguenza, queste informazioni più precise riguardanti lo stato delle gomme possono contribuire ad un ulteriore ottimizzazione dei sistemi elettronici di controllo della stabilità del veicolo. Un’altra applicazione innovativa nel campo della tecnologia delle ruote intelligenti è il sistema di sensori sviluppato dai ricercatori dell’Università di Darmstadt, che prevedono il posizionamento all’interno del battistrada di un magnete, i cui movimenti sono monitorati da un sensore di Hall [10] [11].

Il progetto Apollo [12] iniziato in Finlandia nel 2002 e conclusosi nel 2005, si è basato sul presupposto che la ruota intelligente sia necessaria per i futuri sistemi di sicurezza attiva. I risultati di questo progetto mostrano che esiste la possibilità di predire i carichi gravanti sugli pneumatici e le caratteristiche del contatto con il terreno (coefficiente d’attrito), grazie a dei sensori incorporati nella gomma. Tuttavia, le tecnologie finora descritte non sono attrezzate per misurare e trasmettere grandezze variabili con elevata velocità, necessarie ai sistemi real time di controllo; per raggiungere questo obiettivo sono richieste elaborazioni dei dati più complesse e rapide, gestite da algoritmi innovativi.

Oltre alla manipolazione diretta dei dati misurati e allo sviluppo di algoritmi per caratterizzare il contatto pneumatico-strada, sono state messe a punto nuove logiche di controllo del veicolo, che si basano sugli attuali sistemi (ABS e ESP). I sistemi di sicurezza attiva sviluppati usano le informazioni relative alla situazione esterna del veicolo (forze alle ruote) per cambiarne il comportamento, in modo tale da prevenire il manifestarsi di incidenti (cfr. [13], [14], [15], [16], [17]).

1.2.1 - Il progetto Apollo

L’obiettivo di una condizione di “traffico senza incidenti” è una delle sfide più accese nel mercato automobilistico odierno e del prossimo futuro [18]. Questo obiettivo può essere raggiunto solo da un’integrazione ottimale tra differenti sistemi della vettura, tra cui quelli di controllo del veicolo; tali sistemi possono essere fortemente sviluppati conoscendo le forze agenti alle ruote, che sono fondamentali, poiché permettono al veicolo di accelerare, frenare e sterzare. Nel 2002 è stato intrapreso un progetto, chiamato Apollo, con la partecipazione di diversi produttori di pneumatici, automobili ed elettronica per veicoli e molteplici università tecniche, con lo scopo di sviluppare e produrre una ruota smart, o intelligente, al fine di incrementare la sicurezza nel traffico stradale [19] [20]. Il termine ruota intelligente (Smart Wheel) implica la volontà di trasformare gli pneumatici, da elementi passivi, prodotti in elastomero e montati su un veicolo, in una parte attiva ed essenziale del sistema di controllo del veicolo. Fino a quel momento, lo sviluppo di sensori integrati nello pneumatico aveva permesso di ottenere solo limitate informazioni e non consentivano di stimare i carichi in tempo reale, per i sistemi di controllo a bordo del veicolo. Gli scopi del progetto sono stati:

• dotare i veicoli di nuovi prodotti per aumentare la sicurezza del traffico;

• dare un impulso ai sistemi di controllo del veicolo;

• implementare nuovi servizi per ottenere dati concernenti le ruote e le condizioni della strada, destinati agli utenti a bordo e all’esterno del veicolo.

La discussione delle potenziali applicazioni di questi sistemi ha portato ad individuare i parametri chiave da misurare; si mira ad ottenere un set di dati inerenti:

• la forza verticale alla ruota;

• il relativo coefficiente d’attrito disponibile.

L’acquisizione di queste informazioni vuole portare al miglioramento delle prestazioni di molte applicazioni, come ABS ed ESP. A valle della definizione degli scopi del progetto, il lavoro di ricerca e sviluppo si è suddiviso in quattro blocchi di attività:

• comprensione del comportamento del sistema ruota-veicolo;

• sviluppo di sottosistemi che comprendano sensori, alimentazione e interfaccia per la trasmissione dei dati;

• integrazione del sistema all’interno del veicolo;

Si tratta del primo esempio di progettazione di un sistema di ruota intelligente globale, con il disegno anche di tutte le componenti necessarie. Per quanto concerne i risultati, gli autori del progetto Apollo hanno presentato un sistema di acquisizione dei dati basato su numerosi trasduttori intelligenti situati all’interno della ruota che formano una rete wireless di sensori i cui nodi sono piazzati in vari punti del corpo del veicolo. Sebbene questo complesso sistema non sia pratico da implementare, esso è comunque capace di fornire una buona panoramica per capire la complessità legata allo sviluppo pratico di questa tecnologia.

1.3 -

Sensori commerciali per misurare forze e momenti

In letteratura e in commercio, esistono innumerevoli applicazioni che si riferiscono a sensori multiassiali capaci di misurare le componenti statiche o tempo-varianti di forze e momenti agenti su una struttura, in particolar modo quelle generate a seguito del contatto tra ruota e terreno (cfr. [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]). Le unità sensibili possono essere estensimetri o celle di carico piezometriche; nel secondo caso i carichi stazionari possono essere misurati con delle limitazioni, a causa della natura stessa del sensore. Generalmente questi dispositivi di misura sono piuttosto costosi e il loro utilizzo si limita ad attività di ricerca e sviluppo: questo è dovuto alla relativa complessità dell’hardware, al tempo richiesto dalla procedura di calibrazione e ai materiali speciali impiegati durante il processo di produzione. Gli strumenti disponibili sul mercato sono tanto complessi da costringere i progettisti a fare ricorso a materiali speciali, come CFRP e titanio, in modo da soddisfare le stringenti necessità di massa e rigidezza della ruota. Le caratteristiche inerziali ed elastiche sono importanti sia per evitare fenomeni vibrazionali, che per un’altra ragione: durante le misurazioni, la ruota strumentata sostituisce la normale ruota. Essa quindi deve soddisfare i requisiti di sforzo delle ruote normali, senza variare la cinematica e l’handling del veicolo. La ruota deve perciò essere progettata per avere massa e rigidezza simili a quelli delle ruote standard. In altre parole, le ruote strumentate devono essere “trasparenti”, ossia non devono modificare il comportamento del veicolo. Questa specifica è fondamentale per non compromettere la validità delle misure fatte; se la ruota strumentata avesse caratteristiche in termini di massa e/o di rigidezza differenti dalla normale ruota, ci si ritroverebbe in condizioni di prova diverse da quelle che si vorrebbero indagare. Ad esempio, nelle soluzioni per autoveicoli e autocarri, questi strumenti sono generalmente costituiti da due ange molto rigide, che devono applicare forze e momenti al loro elemento sensibile interno dotato di sensori. Ciò rende ovviamente il sistema pesante e di difficile adattamento a diverse applicazioni; inoltre, la massa elevata di questi dispositivi

riduce la prima frequenza naturale, specialmente nel caso in cui siano connessi con pesanti strutture di adattamento.

Si propone di seguito una carrellata di alcune delle ruote dinamometriche più diffuse presenti sul mercato ed utilizzate in campo automobilistico. Ogni sensore è multiassiale ed è in grado di misurare le tre componenti di forze e momenti agenti a centro ruota.

• Igel Wheel Force Transducer [30]: si tratta di un sensore con elementi sensibili in quarzo, capaci di misurare le sei componenti di carico (tre forze e tre momenti ortogonali tra loro) generate al centro ruota (Figura 1.1). Tuttavia, a causa dei sensori piezoelettrici, l’Igel WFT non riesce a misurare le componenti statiche dei carichi agenti sulla ruota. La ruota si caratterizza per la semplicità costruttiva e per la possibilità di adottare il sensore a ruote con differenti offset e geometrie del mozzo, rendendo possibile il suo impiego non solo a test di laboratorio. Le sue proprietà di massa e rigidezza sono simili a quelle delle ruote standard, in questo modo sono garantite le performance dinamiche del veicolo e l’affidabilità del componente. Un processo digitale di acquisizione dati è usato per una trasmissione veloce all’unità CPU (Central Processing Unit) a bordo.

Figura 1.1 A sinistra, Igel WFT; a destra, prototipo WFT per ruota posteriore di

un trattore agricolo

• Prototipo WFT per misurare le forze alle ruote dei trattori [31]: il prototipo mostrato in Figura 1.1 a destra è stato progettato per essere sostituito alla ruota posteriore di un trattore agricolo commerciale. Il sensore è capace di misurare solo le tre forze scambiate tra lo pneumatico e la strada per mezzo di una struttura a quattro razze che collega il centro ruota al canale. La struttura a razze è stata strumentata per mezzo di otto estensimetri, che opportunamente collegati restituiscono tre segnali in uscita, corrispondenti alle tre componenti

della forza (longitudinale, laterale e verticale). La struttura a razze è completamente vincolata al centro ruota e il collegamento tra ogni razza ed il canale del cerchio è realizzato per mezzo di particolari lamine elastiche, che si comportano come dei giunti sferici traslanti (permettono alla struttura sia un moto rotazionale attorno ai tre assi principali sia uno traslazionale lungo l’asse di ogni razza). La rigidezza del cerchio è stata massimizzata mediante due anelli saldati, che permettono anche di incrementarne la frequenza propria. La trasmissione dati è realizzata grazie ad un sistema telemetrico wireless, che invia i segnali dal sensore al modulo di controllo a bordo.

• Kistler RoadDyn [32]: questa famiglia di sensori (Figura 1.2) è caratterizzata da una massa e un momento d’inerzia molto limitati. Possono essere misurati le tre forze e i tre momenti agenti nella zona di contatto tra la superficie stradale e la ruota, in tempo reale e in condizioni di guida fino ai 250 km/h. Sono strumenti ad elevate prestazioni per prove in pista e per tutti i tipi di banchi prova a rullo per veicoli passeggeri e commerciali leggeri. I dati forniti sono una base importante per determinare e ottimizzare le caratteristiche degli pneumatici e la regolazione delle sospensioni e anche per lo sviluppo di sistemi di sospensioni attive, di sistemi di controllo trazione e frenata.

- RoadDyn Serie “P”: i dispositivi appartenenti alla serie P sono dotati di sensori piezoelettrici che misurano solo la componente dinamica delle forze e coppie agenti sulla ruota. L’ampio range di frequenze misurabili, insieme alla buona linearità, consente di apprezzare piccoli carichi quanto i massimi carichi agenti sulle ruote. L’elettronica di acquisizione e condizionamento dei segnali è integrata nella ruota, dove avviene l’amplificazione del segnale e la prima elaborazione dati. Dal modulo elettronico integrato nella ruota, le tre forze e i tre momenti sono poi inviati, insieme all’angolo di rotazione misurato da un encoder, all’unità di controllo posta a bordo del veicolo, attraverso sistemi telemetrici wireless o anelli di strisciamento (slip ring). Come detto, per determinare l’angolo ruota si fa ricorso ad un encoder, che pone il problema di individuare un punto di riferimento per la posizione angolare della ruota. In questo caso, si ricorre ad un braccio di fissaggio, vincolato alla struttura della sospensione o al telaio e fisso alla parte statica dell’encoder, così da creare un riferimento stabile. La RoadDyn è stata progettata per avere massa e rigidezza simili a quelli delle ruote standard, per i motivi esposti. Il sensore sostituisce la parte centrale del cerchio e può essere facilmente montato senza modificare il mozzo o la struttura della sospensione, poiché gli adattatori per il canale e per il mozzo assicurano che il sensore si presti per molte

dimensioni delle ruote. Il sensore è montato nella parte centrale del cerchio e successivamente fissato al mozzo per mezzo di quattro viti.

- RoadDyn Serie “S”: gli elementi sensibili della serie S sono rappresentati da sei celle di carico con estensimetri (con compensazione della temperatura), collegate al canale e al centro ruota attraverso alcune parti adattabili. Questi trasduttori si differenziano quindi dai precedenti perché in grado di misurare le componenti statiche delle forze e dei momenti, per il fatto che le celle di carico non sono più piezoelettriche ma dotate di estensimetri. I segnali sono amplificati nelle celle di carico e forniti via cavo alla scheda elettronica della ruota, dove vengono filtrati, digitalizzati e codificati. Si possono connettere alla scheda elettronica dei trasduttori addizionali, per misurare, ad esempio, la pressione dello pneumatico e la temperatura. Questi dispositivi combinano una piccola massa e un ridotto momento d’inerzia ad un’elevata rigidezza.

Figura 1.2 A sinistra, dispositivo RoadDyn con braccio di fissaggio montato su

• Sensor Developments Inc. serie 77016 [33]: il Multi-Axis Six Force Sensor (Figura 1.3) è un trasduttore di forze basato su di una struttura elastica strumentata attraverso estensimetri. Il dispositivo è composto da tre parti principali: il sensore ruota per misurare le forze e i momenti, l’unità elettronica connessa al sensore e rotante con esso e l’ECU (Electronic Control Unit), che acquisisce ed elabora i segnali trasmessi wireless dai sensori. Tutte le componenti di forze e momenti sono misurate in tempo reale e proiettate nel sistema di riferimento assoluto del veicolo, tramite encoder che fornisce l’angolo ruota: è pertanto possibile proiettare direttamente le forze nel riferimento assoluto attraverso la matrice di rotazione, senza che siano necessarie operazioni di elaborazione dati addizionali.

Figura 1.3 Sensor Developments Inc. serie 77016

• RS Technologies serie WFT-PC-TI [34]: i trasduttori di forze per ruote della RS Technologies sono disponibili sia per veicoli passeggeri, che per veicoli pesanti. Essi possono misurare le tre componenti di forze e momenti agenti al centro ruota, garantendo il bilanciamento degli effetti termici e la protezione del sensore e dell’elettronica dall’acqua. La ruota dinamometrica è composta da cinque elementi: il trasduttore, l’adattatore per il mozzo, il cerchio modificato, l’anello di strisciamento (utilizzato per trasmettere i dati dalla ruota alla centralina di controllo al posto dei sistemi senza fili descritti sinora) e il sistema di telemetria. In aggiunta un encoder digitale permette di misurare la posizione e la velocità angolare della ruota.

• Michigan Scientific Corporation serie LW [35]: i trasduttori della Michigan Scientific Corporation sono in grado di misurare tutte le

componenti delle forze e dei momenti agenti al centro ruota per mezzo di estensimetri. Come per i sensori precedenti, il bilanciamento degli effetti termici consente di avere segnali in uscita costanti per un ampio intervallo di temperatura; inoltre il sensore è provvisto di una copertura impermeabile, per ottenere un’elevata resistenza all’acqua e alla corrosione. Possono essere montati su veicoli passeggeri e veicoli commerciali leggeri, con differenti diametri e valori dei carichi, tramite adattatori. La massa complessiva è molto simile a quella della ruota originale.

• MTS System Corporation (SWIFT) [36]: il trasduttore di forze per ruote SWIFT del MTS System Corporation adotta estensimetri come elementi sensibili per misurare le forze e i momenti lungo tre direzioni ortogonali. Un encoder misura la posizione angolare dei ponti di Wheatstone in relazione al sistema di riferimento assoluto (telaio del veicolo). L’elettronica somma le deformazioni geometriche dei ponti, compensa il rumore e trasforma le coordinate per dare i segnali d’uscita nelle coordinate assolute statiche del veicolo. Questo sensore può essere usato sia per i test di laboratorio sia in test esterni con veicoli passeggeri, commerciali leggeri, ma anche con autocarri pesanti. Tale sensore è progettato per avere massa e rigidezze simili a quelle delle ruote standard, quindi le caratteristiche migliori di questo sensore sono la leggerezza, la compattezza ed i bassi effetti d’inerzia per garantire misure accurate. In termini di prestazioni, questo sensore è caratterizzato da piccoli errori di linearità, di rumore, di isteresi, misurati in ogni asse durante la calibrazione statica.

Al di là della massa e dei carichi massimi dei vari sensori, che dipendono ovviamente dagli impieghi, le prime frequenze naturali sono generalmente sopra i 400 Hz. Per quanto riguarda le prestazioni in termini metrologici, si prendono in considerazione il rumore, l’isteresi, la linearità e l’accuratezza, espresse queste ultime due come percentuali del fondo scala dello strumento; l’accuratezza dello strumento è valutata per ogni singolo asse sia per le forze sia per i momenti. Salvo eccezioni, questi parametri sono globalmente sotto all’1%.

1.4 -

Sensori sviluppati al Politecnico di Milano

Il Politecnico di Milano, presso il Laboratorio per la Sicurezza dei Trasporti (La.S.T), ha sviluppato dei sensori multiassiali ad un costo relativamente contenuto, capaci di misurare in tempo reale le tre forze e le tre coppie agenti su ruote e sistemi di sospensione o altri sottosistemi del veicolo, in un range di frequenze fino a 100 Hz (cfr. [37], [38], [39]). Si tratta di ruote intelligenti e di celle di carico ad uso generale. Le tipologie di dispositivi sono basate su una speciale struttura staticamente determinata a tre razze, strumentate con dodici