Capitolo 2
Rapporto tra sollecitazioni e comfort
2.1 Introduzione
Lo sviluppo recente di scooter di media cilindrata è senz’altro legato alla sempre maggiore presenza sul mercato di veicoli che legano i vantaggi dei mezzi a due ruote ad allestimenti attenti al comfort del pilota.
In fase di progettazione è molto complesso determinare le caratteristiche di un mezzo. Nelle case costruttrici di motocicli questo compito era fino a qualche tempo fa generalmente assegnato a un gruppo di collaudatori esperti che effettuava test nelle più svariate situazioni di tracciato stradale. In realtà questa tecnica non è stata del tutto accantonata.
Tuttavia recentemente, visto la costante richiesta di diminuzione del “time to market” di qualsiasi prodotto, si stanno mettendo a punto delle tecniche di simulazione affidate ad ambienti appositamente creati.
Tra i simulatori più utilizzati in ambito industriale bisogna certamente citare l’ambiente Adams.
2.2 Il comfort vibrazionale
Per valutare il comfort vibrazionale è possibile considerare come ingresso l’accelerazione proveniente dalla strada (trascurando il contributo dovuto alla vibrazione indotta dal motore o dagli organi di trasmissione che forniscono comunque un contributo molto minore), e come uscita le accelerazioni misurate in alcuni punti di interfaccia col pilota. Punti tipici di misurazione dell’accelerazione possono essere ad esempio le manopole o il sottosella.
Figura 2.1: sistema di riferimento utilizzato nel calcolo
Lo spettro di frequenza viene generalmente diviso in due range distinti. Quello da 0,5 a 25 Hz è relativo alle vibrazioni vere e proprie, per frequenze via via crescenti diminuisce la percezione delle vibrazioni e aumenta la sensazione di rumore.
Esistono le normative ISO 2631-1997 e ISO 5349-1986 che forniscono criteri di valutazione della sensibilità del corpo umano in funzione della frequenza delle accelerazioni a cui si è sottoposti, secondo i sistemi di riferimento mostrati in figura 2.1.
Da studi sperimentali è stato rilevato che il corpo umano presenta sensibilità diverse ad accelerazioni in direzioni diverse [3].
Ad esempio presenta la massima sensibilità ad accelerazioni verticali a frequenze comprese tra 4 e 8 Hz (a cui corrispondono risonanze nella cavità addominale) come mostrato in figura 2.2, mentre per accelerazioni longitudinali si ha per frequenze comprese tra 1 e 2 Hz (a cui corrisponde la risonanza della cavità toracica superiore nel moto in avanti/indietro rispetto al bacino) come mostrato in figura 2.3.
Proprio per tenere conto della diversa sensibilità al variare della frequenza , le normative di cui sopra forniscono dei coefficienti per “pesare” le diverse componenti di accelerazione.
0,1 1 10 100 1 10 100 f (Hz) acc. r.m.s. (m/s^ 2 ) 24 h 16 h 8 h 4 h 2.5 h 1 h 25 min 16 min 1 min
Figura 2.2:soglie di accelerazione lungo l’asse z in funzione del tempo di esposizione e delle
frequenze di sollecitazione per condizioni limite di efficienza lavorativa
Figura 2.3:soglie di accelerazione lungo il piano xy in funzione del tempo di esposizione e delle
Dal segnale così ottenuto, si valuta il valore quadratico medio r.m.s. dell’accelerazione relativamente all'intervallo temporale scelto per la misura (T=5 s), tramite l'espressione seguente valida per la generica componente i:
Per ottenere l’accelerazione del sottosella considerata multiassiale si utilizza la relazione:
in cui i vari coefficienti ki per una persona seduta in caso di valutazione
della dose di accelerazione subita sono quelli riportati in tabella 2.1.
Kx 1,4 Ky 1,4 Kz 1
Tabella 2.1: valore dei coefficienti ki per una persona seduta.
Gli stessi coefficienti sono invece unitari nel caso della valutazione del comfort.
Per quanto riguarda la pedana i coefficienti da prendere in considerazione sono invece riportati in tabella 2.2:
Kx 0,25 Ky 0,25 Kz 0,4
Tabella 2.2: valore dei coefficienti ki da considerare per la pedana.
Si prende quindi in considerazione la formula
Da queste relazioni si può ottenere un coefficiente chiamato VTV (Vibration Total Value) definito dalla relazione
Non si sono considerati i valori dovuti alle manopole in quanto con il modello “quarter of car” considerato la sospensione posteriore non interviene sull’anteriore dello scooter, e anche perché l’azione del pilota in termini di forza applicata al manubrio influenza la misura.
La normativa fornisce come riferimento i valori di VTV calcolati durante uno studio sul comfort dei mezzi pubblici, i cui risultati sono riassunti nella tabella seguente.
Su questo tipo di mezzi è però ragionevole attendersi un comfort maggiore rispetto a un mezzo a due ruote.
I valori di VTV calcolati e anche quelli ottenuti dalle simulazioni discusse nel capitolo 6 mettono in evidenza come i valori di Vibration Total Value si attestino per un motoveicolo sempre su valori maggiori dell’unità. VTV (m/s²) VALUTAZIONE < 0,315 comfortevole 0,315-0,63 poco scomodo 0,5-1 abbastanza scomodo 0,8-1,6 scomodo 1,25-1,5 molto scomodo >2 estremamente scomodo
Tabella 2.3: valutazione del comfort rispetto al VTV
2.3 Dati tipici misurati su uno scooter
Nella figura seguente è riportata l’accelerazione verticale del mozzo ruota anteriore. Questa è la grandezza che rappresenta l’ingresso che viene sfruttato nel programma realizzato per discriminare la tipologia di strada su cui lo scooter si trova in quel momento.
In particolare nella figura 2.4 è rappresentata l’accelerazione in un tratto di pavé pesante, ecco il motivo delle ampie fluttuazioni.
Figura 2.4: accelerazione del mozzo ruota anteriore misurato su uno scooter Gilera Runner
su un tratto di pavé pesante
Nelle figure seguenti 2.5 e 2.6 vengono riportati valori del VTV calcolati sia in corrispondenza di valori sperimentali che di valori simulati utilizzando un modello veicolo-pilota realizzato tramite il codice multibody Adams [3]. In particolare vengono anche riportati i grafici della densità spettrale di potenza dell’accelerazione lungo l’asse z del sottosella, sia nel caso sperimentale che in quello ponderato secondo i coefficienti riportati in normativa.
Figura 2.5: Vibration Total Value calcolato in quattro condizioni di percorso stradale da dati
sperimentali e da dati ricavati dal modello Adams dello scooter
Da questa tabella si capisce come all’aumentare delle asperità del fondo stradale peggiori l’indice di comfort preso in esame.
Con riferimento ai grafici del capitolo 1 relativi al comportamento della sospensione in funzione di alcuni parametri, si osserva come diminuire il coefficiente di smorzamento della sospensione su queste tipologie di strada riduca le accelerazioni a cui il pilota è sottoposto.
Figura 2.6: densità spettrale di potenza relativa al segnale originale e al segnale ponderato secondo i
coefficienti riportati nelle normative
I dati riportati e presentati ad “XXX Convegno Nazionale AIAS” del 2001 sono stati acquisiti su uno scooter Gilera Runner 180 4T, di cui il modello multi-body utilizzato per il calcolo del VTV sperimentale è mostrato in figura 2.7.
Figura 2.7: modello Adams dello scooter Gilera Runner 180 4T
La creazione di un modello ADAMS rappresenta un lavoro particolarmente oneroso, e viene eseguito in genere da esperti del settore meccanico.
Per questo motivo non è risultato conveniente dedicare troppo tempo a questo modello, e si è preferito ottenere dei risultati indicativi dell’influenza del coefficiente di smorzamento sull’accelerazione della massa sospesa (a cui il VTV è legato) creando un modello simulink del modello quarter of car e utilizzando degli ingressi sinusoidali con frequenze e ampiezze diverse per approssimare i diversi profili stradali.
La simulazione ora accennata è descritta più in dettaglio nel capitolo 6. Per rendere preciso anche dal punto di vista quantitativo i miglioramenti ottenuti sarebbe necessario avere una caratterizzazione precisa dell’ammortizzatore CDC, con particolare riferimento alla caratteristica dello smorzamento in funzione della corrente.
Sarebbe inoltre utile creare un modello Adams multi-body del tipo mostrato in figura 2.7 relativo allo scooter di interesse, e ripetere eventualmente un test per raccogliere dati del tipo presentato in precedenza.
A tal proposito una strumentazione utile alla raccolta dei dati necessari prevede ad esempio accelerometri multiassiali per la misura dell’accelerazione lungo le diverse direzioni da montare sul mozzo ruota anteriore e altri montati nel sottosella e sulla pedana.
In figura 2.8 è riportato lo scooter così com’è stato strumentato per effettuare i test sopra descritti.
Nonostante la strumentazione possa sembrare invasiva, essa dovrebbe essere installata solo per effettuare le misure relative allo scooter preso come riferimento per costruire la tabella di controllo.
La strumentazione poi necessaria al funzionamento del sistema si limiterebbe all’accelerometro montato sul mozzo anteriore.
Figura 2.8: scooter Gilera Runner 180 4T equipaggiato per la raccolta dei dati descritti in
