Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Applicazione dei materiali compositi alla progettazione di telai per go kart da competizione


TVK Ricerca Meccanica Strutturale


L’ottimizzazione delle procedure di progettazione dei telai dei kart da competizione porta il gruppo di ricerca “Tor Vergata Karting” ad affrontare l’innovativa progettazione di uno chassis di un kart realizzato in compositi.

La procedura di design parte dall'individuazione di un telaio tradizionale a traliccio di tubi, da utilizzare come riferimento per la valutazione degli effetti dell'introduzione del materiale composito. Il telaio scelto, mostrato in figura 1 è un Birel R32SC.


Telaio Birel R32SC


A partire da questa configurazione di riferimento si è andati a sostituire la struttura tubolare con pannelli di materiale composito, ovvero un materiale costituito da pelli esterne in fibra di carbonio all’interno delle quali è presente una struttura a nido d’ape. Il funzionamento meccanico di tale tipo di materiale è basato sul fatto che gli sforzi di taglio vengono assorbiti dalla struttura a nido d’ape, mentre le pelli esterne in fibra di carbonio ad alta resistenza sopportano i carichi flettenti. Molteplici sono i vantaggi dell’adozione di tale tipo di materiali, primo fra tutti l’elevatissimo rapporto tra la resistenza meccanica offerta e il peso.
Per poter confrontare il comportamento dinamico delle due tipologie di telaio, si è provveduto a scegliere gli spessori che caratterizzano la struttura laminare a “sandwich” del telaio in compositi in modo da avere lo stesso ingombro esterno, la stessa rigidità torsionale del telaio a traliccio, e lo stessa percentuale di carico del materiale.
Lo studio è stato condotto mediante un software commerciale per l’analisi strutturale ad elementi finiti, mediante il quale è stata in primo luogo valutata la rigidità torsionale delle due soluzioni esaminate (figure 2 e 3).


Modello FEM del telaio a traliccio di tubi



Modello FEM del telaio in composito


In seguito i modelli sono stati integrati delle masse accessorie quali il pilota, il serbatoio e il motore e analizzati da un punto di vista dinamico, mediante il codice di simulazione Kart2D, realizzato dal gruppo di ricerca TVK, che consente di studiare il moto piano del kart. Kart2D legge in input i trasferimenti di carico sulle ruote del veicolo che si generano sottoponendolo a determinate condizioni di vincolo e carico, ottenute mediante analisi ad elementi finiti e genera in output diverse mappe dati riguardanti i parametri di moto del veicolo.
Per quanto riguarda il collegamento delle masse accessorie allo chassis in composito, ed in modo analogo per gli attacchi di assale e fuselli, si è prevista l’integrazione di elementi metallici annegati nella struttura del sandwich composito, che fungano da base per il collegamento dei suddetti elementi, analogamente a quanto si riscontra nella pratica progettuale corrente.
Tra le varie mappe dati generate dal codice Kart2D vi sono quelle relative al momento di imbardata in funzione dell’accelerazione laterale, che costituiscono la base dati per poter estrarre i Moment Method Diagram (figura 4),secondo la teoria di Milliken.


MMM Diagram


Tali diagrammi, consentono di ricavare, fissate le condizioni di moto del veicolo, informazioni sul comportamento dinamico del veicolo stesso: presenza di sotto o sovrasterzo, massima accelerazione longitudinale in assetto stabilizzato e in condizioni limite, ed infine un indice di stabilità direzionale, in grado di dare un’informazione riguardo la capacità di tenere la traiettoria del veicolo per fissate condizioni di moto.
Tutti i suddetti parametri sono stati posti a confronto con gli stessi indici ricavati per il telaio tradizionale a traliccio: in questo modo si sono potuti valutare direttamente e in forma sintetica le differenze di comportamento tra le due tipologie costruttive.
Le analisi sulle percentuali di carico hanno evidenziato che la zona più stressata dello chassis in compositi (configurazione carbon2)è il restringimento del telaio nella zona posta dietro l’asse anteriore: si è ritenuto opportuno andare a definire ulteriori configurazioni dello chassis in compositi, con l’aggiunta (configurazione rinforzata, carbon1), o la rimozione (configurazione indebolita, carbon3) di pelli di carbonio dalla suddetta zona.
L’intero ciclo di simulazioni ed analisi è stato ripetuto, confrontando gli indici di comportamento rilevati con quelli del telaio tradizionale: i risultati ottenuti, sono presentati nelle figure da 5 a 8.


Massima accelerazione laterale in assetto stabilizzato



Massima accelerazione laterale in condizioni limite



Indice di stabilità



Comportamento sotto/sovra sterzante


Osservando i risultati derivanti dalle simulazioni si nota come il comportamento dinamico delle due tipologie di telaio sia perfettamente confrontabile nella configurazione base e come si possano raggiungere risultati superiori lavorando sull’orientazione delle fibre e sugli spessori delle pelli.
Si osserva dai grafici come in termini di accelerazione laterale in assetto stabilizzato si ha una sostanziale equivalenza di prestazioni tra il telaio a traliccio e quello in composito nelle condizioni di frenata e a velocità costante, mentre il telaio tradizionale risulta superiore in accelerazione.
La stessa accelerazione laterale, ma in assetto limite, presenta una sostanziale parità con una leggera penalizzazione per la configurazione indebolita in accelerazione dello chassis in composito.
L’indice di stabilità direzionale rimane a favore del telaio tradizionale, in tutte le condizioni esaminate.
Infine per quanto riguarda il comportamento globale, si nota che il telaio in composito è in generale più “estremo” nel comportamento rispetto allo chassis tradizionale a traliccio, in quanto sia gli indici che misurano il sottosterzo che quelli che misurano il sovrasterzo, risultano più elevati.
In conclusione quindi la possibilità di realizzare uno chassis in composito è reale e può portare a risultati considerevoli: le possibilità di ulteriori sviluppi risiedono senz’altro nel rafforzamento differenziato dello chassis in composito con l’aggiunta di pelli e la possibilità di implementare l’effetto suolo sfruttando un telaio incurvato.





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