Metodologia per la determinazione dei carichi su componenti meccanici complessi

INTRODUZIONE 
INTRODUZIONE 
Compito di un ingegnere è quello di progettare e costruire dispositivi, 
macchine ed impianti al fine di soddisfare i bisogni umani. 
Tutto nasce dall’osservazione della realtà che ci circonda. Da una mancanza 
nasce un bisogno e da tale bisogno nasce un’idea per soddisfarlo. L’idea, per 
trasformarsi in progetto, ha bisogno di essere analizzata da una mente 
scientifica che ne verifica la fattibilità, i possibili impieghi e i fondamenti che 
ne stanno alla base. La figura che conduce tale analisi è l’ingegnere. 
Per costruire e implementare un progetto è necessaria la proiezione dello 
stesso nella realtà in cui esso troverà collocamento. Non è possibile 
progettare, ad esempio, un motoveicolo senza considerare se esso sia 
destinato ad un uso sportivo o semplicemente turistico. Conoscere 
l’interazione del progetto con la realtà in cui si colloca è fondamentale per 
una corretta progettazione dello stesso. 
Progettando un componente meccanico non si può trascurare come esso 
comunichi con l’ambiente che lo circonda; la comunicazione avviene tramite 
uno scambio di forze. 
Conoscere le forze che sollecitano un componente meccanico sta alla base di 
una suo corretto dimensionamento. La misura di tali forze può essere facile o 
piuttosto complicata a seconda delle geometrie e dei materiali del 
componente meccanico analizzato, nonché dal sistema in cui è montato. 
Questo elaborato di tesi si focalizza sullo studio di una metodologia per la 
determinazione dei carichi su componenti meccanici complessi. 
Viene proposta in particolare una metodologia basata sull’utilizzo di semplici 
strumenti matematici per la manipolazione di dati provenienti da rilievi 
estensimetrici. In particolare tale metodologia è stata messa a punto per il 
rilevamento dei carichi agenti su forcelloni motociclistici. 
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INTRODUZIONE 
Il lavoro si articola in tre fasi. Nella fase iniziale (capitolo 1) si gettano le basi 
sulle quali si fonda l’applicazione del metodo proposto per la determinazione 
dei carichi e se ne traccia il dominio di applicazione. 
Segue uno studio sulle possibili forze (capitolo 2 e 3) entranti nel componente 
oggetto di studio. La tecnica di misura, è inizialmente testata su un 
componente semplificato, al fine di familiarizzare con la metodologia e 
evidenziarne i limiti; in ognuna di queste fasi, l’indagine sperimentale è 
accompagnata da simulazioni numeriche al calcolatore (capitoli 4 e 5). 
L’elaborato si chiude con la validazione di tale tecnica tramite l’applicazione 
del metodo ad un oggetto complesso (capitolo 6). 
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METODOLOGIA PER LA DETERMINAZIONE DELLE SOLLECITAZIONI AGENTI SU 
CAPITOLO 1 
UN COMPONENTE MECCANICO 
CAPITOLO 1 
METODOLOGIA PER LA DETERMINAZIONE DELLE 
SOLLECITAZIONI AGENTI SU UN COMPONENTE MECCANICO 
1.1 Presentazione del problema 
Per la progettazione di un componente meccanico, oltre alla conoscenza 
della risposta strutturale statica dello stesso a sollecitazioni imposte, è 
altrettanto importante conoscere la storia di carico che grava sul 
componente durante il suo normale utilizzo nel contesto di applicazione a 
tempo (vita a fatica). 
Un componente, può essere sottoposto a verifiche tensionali e di 
deformazione tramite numerosi software di analisi dinamica e statica. 
Il problema, al di là dell’affidabilità del software, sta tutto nell’oggettività 
della scelta dei carichi. 
La conoscenza degli spettri di carico nella definizione della missione del 
veicolo da un lato, e la capacità di quantificare e calcolare le caratteristiche di 
resistenza a fatica dei componenti strutturali dall’altro, fondano la procedura 
di progettazione a fatica che, comunque, richiede una delibera sperimentale. 
Il risultato, in altre parole, è strettamente dipendente dalla storia di carico 
che si è deciso di utilizzare e al metodo di rilievo della stessa. 
Per quanto riguarda il motoveicolo, è povera la bibliografia inerente la 
risposta strutturale degli organi portanti nelle condizioni di marcia su strada. 
Questo apparente gap, rispetto all’ambito automobilistico, è dovuto 
principalmente a due fattori: da un lato la minore dimensione del mercato, 
mentre, dall’altro, lo scarso interesse delle case costruttrici a rendere pubblici 
i dati. 
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METODOLOGIA PER LA DETERMINAZIONE DELLE SOLLECITAZIONI AGENTI SU 
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UN COMPONENTE MECCANICO 
1.2 La misura dei carichi 
Risulta chiaro, ora, quale è l’importanza della conoscenza della storia di carico 
che, per un determinato intervallo temporale, ha gravato sul componente. 
Rimane ora il problema della misura di tali forze. 
In ambito motociclistico è difficile trovare in letteratura prove sperimentali 
inerenti a questo argomento. 
Nel 2005, la Paioli meccanica di Bologna, ha presentato un lavoro di 
determinazione dei carichi eseguito su una forcella di uno scooter 150, 
finalizzato alla realizzazione di un complesso banco prova dinamico. La 
conoscenza della storia di carico e quindi delle sollecitazioni a cui la forcella è 
soggetta in determinate condizioni di impiego, ha permesso ai progettisti di 
realizzare una struttura in grado di fornire la stessa tipologia di forze rilevate 
in fase di prova e di essere flessibile a molteplici esigenze di lavoro. 
La soluzione adottata (Fig.1.1) è costituita da due supporti applicati a ciascun 
fodero della forcella. Essi sostengono l’asse della ruota e sono sensibili alle 
componenti di carico secondo le direzioni P (parallelo all’asse sterzo), N 
(normale all’asse sterzo), L (laterale rispetto all’asse sterzo). A posteriori, 
note le geometrie dei componenti in gioco, vengono calcolati i momenti 
relativi ai tre assi. 
Tale soluzione consente di superare i problemi di isteresi connessi al 
funzionamento non-lineare dei cuscinetti nel caso di utilizzo di perni 
estensimetrici [1]. 
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Figura 1.1: Descrizione del sistema dinamometrico all’asse ruota anteriore: (a) terminologia adottata 
per le forze misurate alle celle destra (R) e sinistra (L) (b) vista di dettaglio di una cella triassiale 
sviluppata (c) cella di carico anteriore destra montata sullo scooter, vista di assieme (si possono 
notare il potenziometro lineare per la misura della corsa dell’ammortizzatore anteriore e gli 
accelerometri sensibili in direzione N e P) 
In Fig.1.1 sono descritte le terminologie adottate per le sei grandezze 
misurate, distinte in componenti di forza parallela FP, normale FN e laterale 
FL all’asse sterzo per ciascun fodero. 
Le celle di carico anteriori applicate su ciascun fodero, realizzate in Ergal, 
sono state progettate in modo da non modificare la posizione del perno 
rispetto alla forcella ed allo sterzo del veicolo: si è andati, invece, a 
modificare i foderi di serie per consentire l’alloggiamento delle celle e 
l’applicazione di due piastre laterali in acciaio con funzione di tenuta di 
sicurezza nel caso di cedimento delle celle per sovraccarico dinamico. 
La versione finale della cella realizzata dopo estensimetratura, prima 
dell’applicazione sulla forcella, è presentata in Fig1.1b. 
L’elemento sensibile contiene tre ponti interi estensimetrici che utilizzano il 
principio delle celle ottagonali: le celle sono state calcolate in modo da 
ottenere la sensibilità desiderata senza introdurre deformabilità tali da 
falsare né la funzionalità del sistema frenante, né la dinamica dell’avantreno. 
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Il sistema di celle anteriori è stato progettato per una vita a fatica di 1000 km 
e verificato su banco a rulli. Il carico verticale, orizzontale e laterale al punto a 
terra della ruota anteriore sono stimabili a partire dalla conoscenza 
dell’assetto del veicolo. La pinza del freno anteriore è stata infine modificata 
ed estensimetrata in corrispondenza delle staffe di fissaggio alla forcella, in 
modo da ottenere un canale a ponte intero sensibile alla forza tangenziale di 
frenatura. Il sistema è stato, inoltre, calibrato in laboratorio con prove sia 
sulle singole celle, sia sul sistema ruota-perno-forcella. 
Il banco ha fornito in collaudo un funzionamento corretto, secondo quanto 
previsto dalle analisi multibody e FEM svolte in fase progettuale. Risulta 
perciò uno strumento potente e versatile, unico nel suo genere, per la 
verifica strutturale completa di forcelle motociclistiche.[2] 
Lo stesso studio è stato eseguito per progettare un banco per verifica a fatica 
di telai; tuttavia non è specificato il metodo di rilievo delle time history [3]. 
Nell’immagine seguente (Fig.1.2) è possibile apprezzare l’andamento delle 
sollecitazioni entranti nel perno strumentato. 
Figura 1.2: Andamento delle forze rilevate dal perno strumentato 
Uno studio analogo ai precedenti, ma realizzato per l’intero complesso 
motociclistico, è stato affrontato dall’università di ingegneria di Bologna in 
collaborazione con lo staff di ingegneri e tecnici della Ducati. In tale 
circostanza, mediante l’utilizzo di estensimetri e potenziometri, sono stati 
strumentati il telaio, la forcella e il forcellone del Monster S4R, al fine di 
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UN COMPONENTE MECCANICO 
determinare le sollecitazioni agenti e validare il modello Multy-
body.(Fig.1.3)[4] 
Figura 1.3: Strumentazione del telaio e forcellone moto Ducati 
L’obiettivo di questo lavoro di tesi, è la determinazione della storia di carico 
senza l’utilizzo di un perno “sensibile”, strumentando il forcellone in modo da 
renderlo una cella di carico. Quest’idea è quindi basata su rilievi 
estensimetrici direttamente sul forcellone. Per forza di cose l’approccio al 
problema passa per l’analisi del legame sforzo-deformazione in campo 
lineare. 
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METODOLOGIA PER LA DETERMINAZIONE DELLE SOLLECITAZIONI AGENTI SU 
CAPITOLO 1 
UN COMPONENTE MECCANICO 
1.3 Stato dell’arte sulla metodologia di determinazione dei carichi 
La misura di forze mediante rilevamento di deformazioni sul componente 
sollecitato è una tecnica molto utilizzata ai giorni nostri e il suo largo utilizzo 
è dovuto alla sempre più avanzata tecnologia nel campo dell’acquisizione di 
deformazioni. Ad onor del vero, tale metodo per l’ acquisizione di forze è 
stato focalizzato nello sviluppo di strumenti applicabili ad oggetti sottoposti a 
sollecitazione. Tali strumenti sono svincolati dal componente e la lettura delle 
deformazioni non avviene sul pezzo realmente sollecitato; tali strumenti 
vengono chiamati celle di carico. Una cella di carico è un componente 
elettronico (trasduttore) usato per convertire una forza in un segnale 
elettrico. L'applicazione più comune è nei sistemi di pesatura elettronici e 
nella misura di sforzi meccanici di compressione e trazione. 
In tali strumenti si sfrutta la linearità tra deformazioni e sollecitazioni e le 
deformazioni vengono rilevate sullo strumento e non sul componente 
meccanico; essendo lo strumento collegato con l’oggetto sottoposto a 
misura, si va a rilevare la forza agente sul pezzo nel punto in cui lo strumento 
è collegato per via indiretta.[5] 
Può succedere, a volte, che tali strumenti di determinazione del carico non 
possano essere collegati al componente per vari motivi geometrici o di 
funzionamento del componente stesso; in tali casi la metodologia per la 
determinazione dei carichi si complica notevolmente. In questo paragrafo 
vedremo alcuni esempi di come tale legame elastico lineare è stato adattato 
a vari problemi ingegneristici di determinazione del carico, su problematiche 
complesse. 
1.3.1 Valutazione biomeccanica del gesto sportivo di pagaiata nel Kayak 
olimpico 
L’intento dell’autore di questa ricerca è stata quella di determinare 
l'andamento delle forze agenti sul kayak e la loro influenza sul moto e quella 
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METODOLOGIA PER LA DETERMINAZIONE DELLE SOLLECITAZIONI AGENTI SU 
CAPITOLO 1 
UN COMPONENTE MECCANICO 
di valutare le modalità di trasmissione di queste forze da parte dell’atleta, 
attraverso la catena cinematica costituita dall’acqua, dalla pagaia e dal 
proprio corpo. Per la conoscenza delle forze trasmesse dall'atleta alla canoa è 
necessario disporre di strumenti appositi che ne permettano la rilevazione ed 
acquisizione; strumenti che, grazie alla tecnologia attualmente a disposizione 
è stato possibile realizzare. Dopo un attento studio sulle forze agenti sul 
sistema pagaia-atleta-canoa, si sono progettati e messi a punto gli strumenti 
per il loro rilevamento. 
Le forze trasmesse dall’atleta alla canoa sono state misurate grazie ad un 
seggiolino e un punta-piedi dinamometrici creati su misura.(Fig.1.4) 
Figura 1.4: Esploso sedile dinamometrico con celle di carico a sei canali di misura 
Le forze trasmesse dall’atleta sulla pagaia invece sono state misurate tramite 
pagaie estensimetrate. Dopo uno studio sullo stile della pagaiata e sulle 
possibile forze che entrano in gioco, si è deciso di misurare le componenti di 
forza dirette lungo il piano normale e quello polare come da figura. (Fig.1.5) 
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