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Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Analisi delle prestazioni degli pneumatici in pista


TVK Ricerca Meccanica Strutturale


L'utilizzo di modelli virtuali per lo studio del comportamento del kart in pista richiede la conoscenza del reale comportamento degli pneumatici su strada. Al fine di caratterizzare le forze che lo pneumatico è in grado di fornire durante la percorrenza di una traiettoria curvilinea, un kart equipaggiato con una sistema di acquisizione, è stato impiegato per eseguire un set di manovre in pista. L'elaborazione delle misure acquisite ha permesso di caratterizzare il comportamento degli pneumatici e, di conseguenza, di tarare i modelli di simulazione del moto del kart.

Le prestazioni di tutti gli autoveicoli, ed in particolare di quelli da competizione, sono profondamente influenzate dalle caratteristiche degli pneumatici. Il loro compito è infatti quello di fornire le forze in grado di contrastare la spinta centrifuga durante la percorrenza di una traiettoria curvilinea, e di scaricare a terra la potenza traente in accelerazione e quella frenante in decelerazione. Complessivamente le prestazioni degli pneumatici dipendono da una serie di parametri, tra cui il tipo di mescola, la struttura della carcassa, il tipo di fondo stradale, oltre alla pressione di gonfiaggio, lo stato di usura e la posizione con cui lo pneumatico stesso attacca il suolo. Nell'ambito della produzione automobilistica la conoscenza di tali fenomeni e delle forze coinvolte è giunta ad un notevole livello, soprattutto per quanto riguarda l'aspetto quantitativo. Difatti, nonostante il meccanismo di deformazione dello pneumatico sia argomento decisamente complesso, si è in grado di effettuare accurate previsioni dei valori di forza in gioco.

Nel mondo del karting le conoscenze sulla materia, analogamente ad altri settori delle competizioni automobilistiche, sono patrimonio delle case produttrici di pneumatici, e quindi difficilmente reperibili rispetto al settore delle autovetture destinate alla produzione di serie. D'altro canto la possibilità di ottimizzare il comportamento di un veicolo facendo uso di modelli virtuali, approccio consolidato nella moderna ingegneria, è una strada percorribile solo in presenza di misure sperimentali in grado di tarare i modelli e renderli fruibili per successivi indagini. Per questo motivo è stata pianificata una campagna di misure in pista che permettessero di estrapolare i valori delle grandezze caratteristiche del comportamento degli pneumatici per kart.


Il kart strumentato per le prove sperimentali


Il kart è stato messo a disposizione dalla SC motorsport dei fratelli Sacilotto ed è stato strumentato con una centralina AIM Drack Ev3 dotata di due accelerometri integrati (per la misura di accelerazione longitudinale e laterale), di un sensore giroscopico per la misura della velocità di imbardata, più i sensori in grado di acquisire gli andamenti di angolo volante, giri motore e giri ruota.


I sensori utilizzati. Da sinistra: scala graduata per gli angoli sterzo, centralina e giroscopio, sensore per l'angolo di sterzo, sensore velocità ruota


Durante la guida la centralina memorizza le time-history delle grandezze misurate per poi renderle scaricabili su un pc via USB.


La fase di download dei dati


Stante la difficoltà di interpretazione di misure relative ad un giro di pista si è deciso di isolare gli aspetti di interesse e in particolare il comportamento dello pneumatico in termini di forza laterale. Sono state eseguite una serie di manovre ispirate a quelle comunemente impiegate dalle case automobilistiche per caratterizzare il comportamento delle autovetture, operando ovviamente delle modifiche per adattarle al particolare veicolo in esame. I test sono stati svolti presso l'Istituto Sperimentale Auto e Motori ISAM grazie alla collaborazione dell'Ing. Moscarini.


La pista dell'ISAM di Anagni


Le manovre eseguite sono state:

  1. steering pad;
  2. doppio cambio di corsia (prova di sorpasso);
  3. chiocciola.

A causa della mancanza di dati analoghi, per ciascuna prova si è provveduto ad effettuare alcuni test preliminari volti alla individuazione dei parametri fondamentali della manovra, in termini di geometria delle traiettorie e velocità di percorrenza. Inoltre ogni prova è stata eseguita in entrambi i sensi di percorrenza possibili e nel caso del sorpasso anche invertendo il lato del cambio di traiettoria.

Lo steering pad consiste nel percorrere una traiettoria circolare, delimitata dai birilli, a velocità via via crescente (mantenendo però le accelerazioni longitudinali trascurabili), fin quando non è più possibile mantenere la traiettoria stessa. La misura dell'accelerazione laterale e dell'angolo volante consentono la ricostruzione della curva di sottosterzo e l'identificazione della zona lineare della caratteristica di forza di deriva in condizioni stazionarie.


Preparazione della prova di steering pad



Esecuzione della prova di steering pad


La prova sorpasso dal canto suo impegna il kart in una doppia variazione di traiettoria e di conseguenza chiama gli pneumatici a fornire forze laterali consistenti durante transitori brevi.


Preparazione della prova di sorpasso



Esecuzione della prova di sorpasso


La chiocciola consiste invece nella percorrenza ad alta velocità di una traiettoria curvilinea di raggio decrescente fino alla perdita di controllo del kart. In questo modo gli pneumatici lavorano in presenza di derive consistenti e le misure acquisite forniscono informazioni sulla zona non lineare della caratteristica di forza laterale.


Esempio di postpocessing dei dati della prova di sorpasso


Il trattamento delle misure permette di ricostruire in maniera indiretta, ovvero di identificare, l'andamento della forza laterale dello pneumatico in funzione dell'angolo di deriva. Tale informazione può essere inserita nei modelli di simulazione dinamica consentendo di riprodurre fedelmente in un ambiente virtuale il comportamento del kart in pista.


Esempio di simulazione della prova di sorpasso





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