Laboratorio Progettuale CAD Anno Accademico 2010/11
Piastre di Sterzo
per Moto Off Road
Realizzato dal "Gruppo 466":
Motta Luca | Sganzerla Stefano | Stella Daniele | Villa Matteo
Ci siamo proposti di realizzare un nuovo modello di piastre di sterzo per uso agonistico, partendo da un modello di serie, cercando di incrementarne le performance meccaniche.
Inoltre abbiamo studiato la possibilità di inserire nel modello alcune regolazioni aggiuntive per offset ed avancorsa.
Per l'analisi delle forze in gioco, quali distribuzione dei pesi e carichi in frenata, abbiamo usato come riferimento un KTM 690 SMC, montante il prodotto di riferimento.
Il nostro scopo è stato quello di realizzare delle piastre di sterzo più performanti rispetto alle originali per quanto riguarda rigidezza e deformabilità, senza eccedere ecessivamente nell'aumento di peso.
Per fare questo, abbiamo studiato diverse configurazioni di strutture interne, scegliendo un buon compromesso tra rigidezza e leggerezza.
Inoltre abbiamo voluto verificare la possibilità di realizzare delle regolazioni per offset e avancorsa che richiedano semplici azioni e tempi ridotti per essere messe in pratica.
Ovviamente per ogni singolo aspetto analizzato si è tenuto conto del fattore estetico e per quanto possibile della semplicità ed economicità di realizzazione.
Per prima cosa, fingendoci "solo" meccanici, abbiamo smontato l'avantreno della moto per avere sotto mano le piastre originali, cosa che ci ha semplificato la loro realizzazione CAD.
Si può facilmente notare dai grandi angoli di sformo come queste siano state ottenute per un precesso di fusione, e successivamente lavorate alle macchine utensili;sono caratterizzate da geometrie curvilinee e di abbastanza complessa lavorazione, che per essere realizzare hanno necessitato di un grossa asportazione di materiale, con il conseguente aumento dei costi di lavorazione.
Per la realizzazione ci siamo avvalsi di strumenti comuni, quali righe, squadre, calibri e goniometri, e nonostante le inevitabili approssimazioni, soprattutto nei raccordi, siamo comunque riusciti a realizzare dei modelli molto verosimili, caratterizzai da non più del 2-3% di scarto sul peso, sia per le due piastre che per il perno.
PIASTRA SUPERIORE
Si può notare nelle immagini soprastanti come si sia resa necessaria una massiccia asportazione di materiale per la realizzazione delle morse forcelle e dei supporti riser manubrio. Inoltre è evidente la non regolarità della strutura interna e la forte sporgenza dei supporti mascherina.
PIASTRA INFERIORE
Anche qui pensiamo che i supporti per le viti di regolazione del fine corsa sterzo, e quelle per il sostegno del parafango, siano elementi critici in fase di lavorazione.E' facilmente osservabile come la piastra inferiore sia più massiccia di quello superiore, per via delle maggiori forze scambiate con le forcelle.
PERNO
Il perno è costruito su due assi di simmetria longitudinali con un offset di un millemetro, questo permette di andare a modificare l'avancorsa tramite una sua rotazione di 180 gradi; per fare questo è comunque necessario smontare l'avantreno, inquanto non è altrimenti possibile afferrare il pezzo. Il foro trasversale serve per il blocca-sterzo, ed è un elemento di discontinuità perche impedisce la completa foratura del pezzo, causandone un aumento di peso.
ASSEMBLAGGIO
Per quanto concerne le regolazioni, abbiamo ipotizzato due tipologie differenti.
La prima tipologia prevede la rotazione o la traslazione delle piastre rispetto al perno. Una prima variante prevede solo la rotazione mentre la seconda solo la traslazione.
Nella prima variante è presente uno incavo curvilineo nelle piastre nelle quali si va ad inserire il perno. In questo modo quindi si ottiene una rotazione relativa delle piastre rispetto al perno. Questa soluzione presenta delle criticità nel bloccaggio delle piastre rispetto al perno, in quanto si deve operare un serraggio su una superficie curva e si necessita di una ghiera dentata per garantire una corretta tenuta longitudinale. Questo accorgimento è un puno molto sollecitato e troppo deformabile sia in termini assoluti sia in confronto con il resto della struttura.
Molto simile alla precedente è la seconda variante che però prevede solamente una traslazione orizzontale delle piastre rispetto al perno. Nonostante non ci siano problemi di serraggio, sono presenti gli stessi problemi di deformabilità per quantoriguarda la ghiera (che è sempre dotata di denti per la tenuta).
La seconda tipologia invece prevede una soluzione completamente differente. Infatti abbiamo adotatto un morsaggio delle forcelle che prevede l'inserimento di un giunto sferico; quasta soluzione garantisce l'inclinazione delle piastre rispetto alle forcelle e al perno, mantenendole comunque parallele tra di loro.
Anche questa soluzione presenta difficoltà nel morsaggio del perno, e criticità nella rigidezza del morsaggio con le forcelle, inquanto avrei a contatto due superfici sferiche, e non il contatto diretto piastra-forcelle.Inoltre i giunti sferici, che devono essere tali per garantire la rotazione delle piastre rispetto alle forcelle, creano un aumento delle dimensioni delle piastre, con conseguente riduzione del già esiguo raggio di sterzo.Un problema aggiuntivo sarebbe anche il corretto assemblaggio dei giunti sferici all'interno delle piastre, parzialmente risolvibile con l'adozione di cave a calotta sferica.
Inoltre è assolutamente evidente come tutte queste regolazioni prevedano cave o comunque accorgimenti che vanno ad indebolire la struttura dal piunto di vista meccanico, oppure prevedano un'eccessivo aumento di materiale con conseguente aumento di peso.
Prendendo come riferimento il modello di serie, abbiamo creato una serie di modelli semplificati di piastre focalizzando la nostra attenzione sulla geometria delle strutture interne. Prendendo spunto anche da strutture già esistenti, abbiamo creato diverse configurazioni quali: tre nervature, cinque nervature a raggera, nervature disposte a croce, nervature ricalcanti la struttura originale, a nido d'ape.
Al link seguente troverete le immagini delle strutture interne
http://anyhub.net/file/3-f4-struttureinterne.7z
A parità di peso ci siamo accorti, dalle analisi FEM, come la struttura a nido d'ape si sia dimostrata la più rigida e la meno deformabile a parità di carichi applicati.
Per questo motivo abbiamo scelto di utilizzare tale struttura interna nel nuovo modello.
Sempre per privilegiare le caratteristiche meccaniche, abbiamo preferito utilizzare delle geometrie "più generose" (senza eccedere troppo nel peso) e inoltre abbiamo ipotizzato una realizzazione del nuovo modello per sola asportazione di truciolo partendo dal pieno. Questo ci ha obbligato a ripensare la disposizione dei dettagli esterni (quali morsaggi etc.) per minimizzare gli ingombri e quindi il materiale da asportare, nonchè lo stesso peso. In aggiunta abbiamo cercato di creare geometrie di facile realizzazione alle CNC, per motivi puramente economici. Nonostante tutto, non abbiamo trascurato l'estetica del pezzo in quanto parte a vista della moto.
PIASTRA SUPERIORE
Dalle stesse immagini si notano molte differenze dal modello di serie.
Innanzitutto gli attacchi manubrio, oltre ad avere un foro aggiuntivo che permette altre due regolazioni per un totale di 6, non sono a sbalzo ma sono a filo della superficie e sono stati ricavati scavando leggermente il resto del corpo, anche per un fattore estetico. Inoltre gli stessi fori sono stati utilizzati come punto di partenza per la realizzazione della matrice del nido d'ape.
Il morsaggio forcelle invece ricalca quello del perno, ovvero la vite è in presa nel corpo della piastra e non in un elemento esterno di supporto come nel modello di serie. Questa soluzione ci ha permesso di contenere gli ingombri e ridurre il peso, eliminando il suddetto supporto.
Dalla seconda immagine si nota come la parte anteriore della piastra sia meno incurvata dell'originale e non presenta le tre sporgenze per gli attacchi degli strumenti e della mascherina. Sono prensenti soltanto tre fori che ne assolvono le funzioni. Questo accorgimento ha portato sicuramente ad un aggravio di peso ma nello stesso tempo ad una significativa semplificazione di lavorazione.
Infine abbiamo realizzato una serie di piccole gole sul perimetro esterno, comprese le morse forcelle, puramente per un fattore estetico.
PIASTRA INFERIORE
La piastra inferiore presenta gli stessi accrgimenti utilizzati per la realizzazione della piastra superiore. Comunque è stato modificato il posizionamento del morsaggio delle forcelle rispetto alle piastre originali per guadagnare qualche grado nell'esiguo angolo di sterzo.
PERNO
Il nuovo perno ricalca sostanzialmente l'originale, ma con piccole differenze.
Sono stati eliminati i fori trasversali per il bloccaggio dello sterzo, inutili in ambito agonistico. In questo modo è stato possibile praticare un foro longitudinale passante.
Inoltre è stata alzata la parte superiore del perno in modo tale da fuoriuscire dalla piastra; in questo modo è possibile afferrare il perno e ruotarlo, andando quindi a modificare l'offset, semplicemente allentando il dado superiore e la vite di tenuta nella parte inferiore, senza dover andare a smontare l'avantreno come nel modello originale.
ASSEMBLAGGIO
Abbiamo inizialmente analizzato le geometrie ed i pesi della moto, per poi andare a creare un modello semplificato per calcolarne le forzanti nelle diverse situazioni;andando ad individuare la frenata al limite del ribaltamento come il caso più critico.
A questo indirizzo trovate i file:
Analisi dinamica e cinematica http://imageshack.us/g/696/dinamicaincurva.jpg/
Dati moto e forzanti calcolate http://anyhub.net/file/3-y1-dati-moto.xlsx
L' unica ipotesi fatta è stata l'altezza del baricentro del gruppo moto-pilota, volutamente tenuto basso per andare ad aumentare la decelerazione necessaria a causare il ribaltamento, e di conseguenza le forze scaricate.
Per analizzare il comportamento delle piastre abbiamo creato due differenti modelli di simulazione. Nel primo siamo andati ad applicare le forzanti direttamente alla base delle forcelle servendoci di un perno ruota fittizio; nel secondo le abbiamo applicate direttamente alle piastre senza però riportare il momento dato dalla forza frenante.
Da tenere in considerazione, per valutare i successivi dati, l'aumento di peso delle nuove piastre rispetto al modello originale:
Piastra superiore: da 645 a 692 gr +7,3%
Piastra inferiore: da 829 a 933 gr +12,5%
Perno: da 275 a 301 gr +9,5%
Assieme: da 1749 a 1927gr +10%
Assieme con viti utilizzato per le analisi: da 1988 a 2157 gr +8,5%
PRIMA ANALISI
Per immagini con migliore definizione rimandiamo al link sottostante
http://anyhub.net/file/3-ea-immagini-fem.7z
Carichi applicati: 1642N in direzione orizzontale sul perno ruota;
3038N in direzione verticale sul perno ruota;
806Nm alla base della singola forcella sinistra.
Modello originale Nuovo modello
Si possono notare enormi spostamenti in entrambi i casi alle estremità delle forcelle, soprattutto in quella dove è applicato il momento. La riduzione di spostamento è del 6% sul nuovo modello (da 12,62 a 11,86mm), che sale al 15% considerando solo il gruppo piastre-perno (da 0,3873 a 0,3311mm).
Inoltre si può notare una maggiore simmetria nel comportamento delle nuove piastre, che tendono a deformarsi in maniera più omogenea rispetto a quelle originali
SECONDA ANALISI
Carichi applicati: 3637N in direzione orizzontale sui morsaggi della piastra inferiore;
-2816N in direzione orizzontale sui morsaggi della piastra superiore;
760 N in direzione verticale su ogni morsaggio
Modello Originale
Nuovo Modello
Anche in questo caso si ha una minore deformazione del nuovo modello con una riduzione di circa il 20%, passando dai 0,1538 ai 0,1234mm del punto più sollecitato sulla piastra inferiore, e dai 0,1428 ai 0,1129 sulla piastra superiore. Si possono ancora notare una deformazione più uniforme del nuovo modello ed una minore torsione.
Infine il fattore di sicurezza allo snervamento è aumentato del 38% passando da 1,57 a 2,17
Complessivamente, a fronte di un aumento di peso del 8,5% dell'assemblaggio completo di viti, la resistenza meccanica alla deformazione è aumentata, nei punti più sollecitati delle piastre di almeno il 15%, con punte di oltre il 20%. Invece alla base delle forcelle c'è stato un aumento di solo il 6%, è comunque da tenere in considerazione l'enorme coppia applicata (806 Nm) che ha portato a deformazione plastica la forcella.
Infine il software utilizzo (inventor 2012) non è lo strumento ottimale per eseguire analisi fem su componenti complesse, quali la struttura interna delle piastre, sia quelle originali che quelle nuove, ti valori ottenuti possono non essere del tutto veritieri.
