Fortis Saxonia – analisi sperimentale delle sollecitazioni durante la guida

La pressione ambientalista, con l'energia e le materie prime sempre più scarse, si sta rivelando un potente motore per la ricerca di soluzioni innovative. Per i costruttori automobilistici, questo significa aspirare a veicoli di struttura più leggera e con sistemi di propulsione più efficienti ed economici. Un gruppo che persegue questo sogno è il progetto di ricerca studentesco Fortis Saxonia (Intrepidi Sassoni) del Politecnico di Chemnitz - Germania.

 

Il progetto Fortis Saxonia

La pressione ambientalista, con l'energia e le materie prime sempre più scarse, si sta rivelando un potente motore per la ricerca di soluzioni innovative. Per i costruttori automobilistici, questo significa aspirare a veicoli di struttura più leggera e con sistemi di propulsione più efficienti ed economici. Un gruppo che persegue questo sogno è il progetto di ricerca studentesco Fortis Saxonia (Intrepidi Sassoni) del Politecnico di Chemnitz - Germania.

Circa 20 studenti e laureati delle Facoltà di Ingegneria Meccanica, Ingegneria Elettrica ed IT, Scienze Informatiche e Scienze Sociali stanno facendo attualmente delle ricerche sulla tecnologia delle celle a combustione, strutture leggere, simulazione e controllo.

L'obiettivo è lo sviluppo di un veicolo per ottenere consumi di carburante estremamente ridotti in condizioni di prova prestabilite. Poi, ogni anno, i veicoli risultanti competono nella Shell Eco-Marathon. Essa determina quale veicolo che vi prenda parte copra la distanza più lunga con un solo litro di carburante. Il record attuale è di 5,385 km. Nel Maggio 2008, alla 24^a Eco-Marathon, il record fu di 3,382 km con la Fortis Saxonia che percorse una distanza di oltre 2,500 km con meno di 0,04 L litri per 100 km ^[1].

Struttura del veicolo

Quale risultato di molti anni d'intenso lavoro di ricerca, la squadra Fortis Saxonia dispone ora di un veicolo del tutto competitivo. Il cosiddetto “Sax 3” (Figura 1), come il suo predecessore, fu progettato e costruito come veicolo a tre ruote.

Le due ruote anteriori sono fisse, mentre la ruota posteriore combina lo sterzo con il propulsore elettrico. L'energia per il motore elettrico è prodotta da una cella a combustione con potenza di uscita di 500 W. Il telaio attuale è costituito da una leggerissima struttura di aramide a nido d'ape, rinforzata da numerosi strati di fibra di carbonio laminata. Poiché il pilota è praticamente sdraiato fra le due ruote anteriori, la sospensione anteriore del veicolo è stata disegnata come una sorta di assale d'entrata connesso al telaio con due supporti di alluminio.

Le ruote anteriori sono munite di freni a disco. La Figura 2 mostra la struttura dell'asse anteriore e le posizioni dei punti di misura con estensimetri. Per maggiori dettagli guardare la figura sottostente.

Fig. 2: Vista laterale dell'asse anteriore, punti di misura con estensimetri

Per mantenere la ruota posteriore sterzante, l'ancoraggio al telaio è realizzato con cinque tiranti (Figura 3). Per consentire le curve, la struttura dell'asse posteriore viene inclinata rispetto alla verticale mediante un azionamento meccatronico. La spinta necessaria per l'accelerazione è data da un motore integrato nel mozzo della ruota posteriore. La ruota posteriore è munita di un freno a pinza. Senza il pilota, il peso totale del veicolo è di solo 45 kg. 

Fig. 3: Vista isometrica dell'asse posteriore, punti di misura con estensimetri per determinare le sollecitazioni di trazione (vedere Fig. 5)

Compito

Il veicolo di prova con cui Fortis Saxonia partecipa alla Shell Eco-Marathon annuale è permanentemente in fase di sviluppo, con la ricerca di componenti sempre più leggeri ed efficienti per migliorare continuamente le prestazioni. Lo scopo dell'attuale analisi sperimentale delle sollecitazioni consiste nel determinare con precisione le forze, i momenti e le accelerazioni che agiscono sugli assi anteriore e posteriore quando il veicolo è in marcia. I risultati delle misurazioni sono le basi per l'ottimizzazione della progettazione complessiva, consentendo la sempre più precisa interpretazione dei componenti, al fine di massimizzare il livello di prestazioni.

Strumentazione, gestione e registrazione dei valori di misura

I trasduttori necessari per effettuare le prove, il cablaggio, l'amplificatore ed il software sono stati messi a disposizione dal Professore di Meccanica dei Solidi del Politecnico di Chemnitz (TU Chemnitz). Tutte le grandezze meccaniche da misurare sono state acquisite con estensimetri elettrici. L'amplificatore usato era il QuantumX MX840 della HBM. Si tratta di un amplificatore di misura ad 8 canali che era montato sul retro del seggiolino del pilota (Figura 4). L'alimentazione per l'amplificatore proveniva da una batteria da 12 V con capacità di 10 Ah. Essa era situata nella zona del naso del veicolo. Ciò garantiva che ci fosse energia di alimentazione stabile per tutto il periodo di prova. Un portatile (Windows Vista Home) caricato con la versione 2.24 del software catman^®Easy fu installato nel veicolo per configurare l'amplificatore e per acquisire e salvare i dati di misura. Il collegamento fra calcolatore ed amplificatore fu effettuato con un cavo di rete. La frequenza di misura per l'acquisizione dei dati era di 100 Hz.

Durante lo svolgimento della prova il calcolatore portatile era posto sotto le gambe del pilota. Durante il “pit stop” al completamento di ogni giro di prova, il portatile veniva rimosso per verificare e salvare i valori di misura.

Fig. 4: Parte posteriore del veicolo con l'amplificatore QuantumX MX840 (HBM)

Il componente principale dell'asse anteriore è un tubo di carbonio, il quale assorbe i momenti flettente e torcente causati dall'accelerazione, frenata e sterzata, ed anche i carichi statici del veicolo più il pilota. Poiché la sua sollecitazione è complessa, il carico verrà qui analizzato. Per misurare questi carichi esterni, il tubo di carbonio venne sostituito con uno di alluminio avente parametri meccanici ben definiti. Anche i due supporti per il montaggio del tubo al telaio furono spostati di 15 mm verso il centro del veicolo, per consentire l'installazione di estensimetri sul componente di alluminio. Seguono i dettagli degli estensimetri utilizzati sull'asse anteriore:

• Coppia: XY41-3/350 (HBM), circuito a ponte intero 
• Flessione: LY13-1,5/120 (HBM), circuito a mezzo ponte

Per la dettagliata acquisizione delle componenti di carico della struttura dell'asse posteriore, furono preparati quattro tiranti con estensimetri XY41-1.5/120 (HBM) circuitati a ponte intero (Figura 5).

Fig. 5: Tiranti con circuito a ponte intero di estensimetri

Essendo i punti da preparare di difficile accesso, per installare gli estensimetri fu necessario smontare completamente gli assi anteriore e posteriore.

Gli estensimetri furono allineati con nastro adesivo sulle superfici irruvidite e pulite dell'asse anteriore, incollati con collante epossidico indurente a freddo e, durante il ciclo di indurimento, furono caricati a 100 N con una banda. Gli estensimetri sui puntoni di trazione furono incollati con collante epossidico indurente a 180 °C. Tutti gli estensimetri vennero poi protetti con lacca di poliuretano (PU120) o gomma al silicone (SG250).

Inoltre, furono installati tre sensori di accelerazione; quelli per l'accelerazione longitudinale e trasversale avevano campo di misura di 10 m/s² e quello per l'accelerazione verticale, con campo di misura di 100 m/s². Essi furono montati in una staffa al centro del veicolo appositamente realizzata per tale scopo, immediatamente davanti all'asse anteriore (Figura 6).

Fig. 6: Accelerometro ad estensimetri

Corse di prova

Le corse di prova furono effettuate in una sezione della pista per go-kart “Powerhall” di Chemnitz. Inizialmente furono specificate delle definite condizioni di carico per determinare le sollecitazioni massime del veicolo. Tre aspetti furono di particolare interesse. Il veicolo fu spinto alla massima velocità lungo una curva per misurare la sua accelerazione trasversale. Fu eseguito un arresto di emergenza alla massima velocità per misurare la massima accelerazione nella direzione di marcia. Infine fu creata una sollecitazione del tipo ad impatto correndo sopra un ostacolo semicircolare del diametro di 5 mm. Per misurare le deformazioni che si verificarono durante queste condizioni di guida si usarono gli estensimetri a mezzo e ponte intero, prima registrando lo sbilanciamento dei ponti e poi calcolando le sollecitazioni partendo da questi valori. Completati i preparativi, furono tarati i tiranti caricandoli con un peso e gli accelerometri (staticamente) assoggettandoli all'accelerazione di gravità. Tutte queste acquisizioni di dati furono eseguite dopo aver effettuato la configurazione col software HBM catman^®Easy, versione 2.24. In primo luogo le acquisizioni preliminari servirono a verificare che i trasduttori funzionassero propriamente  e, in secondo, che le grandezze tarate potessero essere impiegate per convertire i valori di misura in forze ed accelerazioni.

Fig. 7: Vista schematica del percorso di prova nella pista per go-kart

L'opportunità di usare l'impianto da go-kart per scopi sperimentali, significava il poter ottimizzare le condizioni di prova, sia stradali che meteorologiche. Per soddisfare le condizioni di sollecitazione, il veicolo prima accelera lungo il rettilineo, così da affrontare al curva ad alta velocità. Indi esegue il tornante riprendendo il rettilineo dopo la stessa curva, supera l'ostacolo alla massima velocità ed infine effettua la frenata di emergenza. Il veicolo viene poi girato per la successiva partenza. La Figura 7 mostra la pista di prova in forma schematizzata.

In totale furono effettuate sei corse di misura. La ragione di fondo era che al pilota fosse consentito di effettuare più passaggi, in modo da raggiungere i limiti della capacità di sollecitazione del veicolo. Ciò significava anche un gran numero di valori di misura confrontabili, aumentando così la credibilità di determinazione di un valore massimo. Nel pit stop dopo ciascun giro venivano salvati i dati di misura, venivano registrate le velocità di punta in curva e sul rettilineo, ed il software veniva predisposto per un nuovo giro. La Figura 8 mostra il veicolo in piena velocità e la Figura 9 lo mostra durante un pit stop, quando vengono estratti e salvati i valori di misura.

Fig. 8: Il veicolo di prova durante un giro di misurazione

Fig. 9: Pit stop fra due giri di misura, l'autore ed il pilota di prova C. Gerlach

Analisi e conclusioni

Per elaborare i dati di prova fu impiegato il software catman^®Easy HBM e successivamente il Microsoft^® Excel. Furono determinate le componenti statiche delle forze ed i massimi valori di carico per le sollecitazioni dinamiche. Per iniziare le analisi venivano esportati i valori di misura dal catman^®Easy col formato ASCII, per poterle poi importare in Excel. Prima della successiva elaborazione veniva predisposta la serie di dati aggiuntivi. Infatti, prima e dopo ogni giro, nella serie di dati grezzi del veicolo c'era un certo numero di valori di misura corrotti, causati dall'intervento umano (modificazioni, lavoro sul portatile, ecc.), e che dovevano essere rimossi. Come risultato, ogni serie di prove conteneva la registrazione dei dati di sollecitazione durante il giro di misura, per determinare i valori dinamici caratteristici ed anche, per cinque secondi all'inizio ed alla fine, la registrazione per definire i valori di sollecitazione statica. I risultati delle precedenti misurazioni di taratura venivano impiegati per calcolare le risultanti grandezze di forza ed accelerazione dai segnali di rapporto di tensione registrati dai trasduttori. I momenti flettenti e torcenti del tubo di alluminio venivano definiti secondo le equazioni da (1) a (4), fra l'altro in modo simile a quanto specificato in [2].

Per il circuito a mezzo ponte, il momento flettente si ricava da

con il momento d'inerzia assiale geometrico seguito da

Per calcolare il momento torcente, 

ove

si applica come momento d'inerzia polare geometrico.

Le grandezze che intervengono da (1) a (4) sono sotto riassunte.

I quattro grafici sotto illustrati sono esempi presi dalla gran quantità di dati di misura disponibili. È facile metterli in relazione alla pista mostrata i Figura 7 considerando le curve dell'accelerazione trasversale del veicolo (Figura 10) e le forze dei tiranti (Figure 12 e 13). I valori negativi di accelerazione corrispondono alle curve a sinistra, i valori positivi quelle a destra. Il confronto delle curve di sollecitazione dei due tiranti lunghi mostra non solo i passaggi con risposta opposta (prendendo la curva, secondi 40-57), ma anche i passaggi con la stessa risposta (correndo in rettilineo, secondi 57-65). La Figura 11 mostra chiaramente che i momenti torcenti iniziano solo nell'asse anteriore durante ogni genere di manovra di frenata. Globalmente, queste curve dimostrano non solo l'alta qualità delle preparazioni, ma anche l'appropriato funzionamento dei trasduttori nel corso delle prove.

 

Fig. 10: Curva dell'accelerazione trasversale

Fig. 11: Curva del momento torcente

Fig. 12: Curva della forza sul lungo tirante di sinistra

Fig. 13: Curva della forza sul lungo tirante di destra

Con l'aiuto di questi risultati è ora possibile stabilire accuratamente l'efficienza della prestazione dei componenti. Ad esempio, si nota la potenziale possibilità di migliorare la struttura del tirante ella sospensione dell'asse posteriore. Essendo qui le forze relativamente basse, la sezione del tirante può essere considerevolmente ridotta. Nell'area dell'asse anteriore, la miglior soluzione è attualmente l'uso del tubo di carbonio, assicurando questo componente la massima rigidità per la combinazione di torsione e flessione nei diversi assi. Tuttavia, il tubo non è necessario per la zona fra i due supporti di alluminio. Qui non viene iniziato alcun momento torcente e, considerando la pura flessione, le travi ad I della stessa sezione avrebbero un rigidità considerevolmente maggiore. È possibile un ulteriore risparmio di peso ridisegnando il sistema di frenatura, dato che in questo progetto la buona decelerazione è di secondaria importanza.

Bibliografia

[1] www.fortis-saxonia.de
[2] Hoffmann, K.: Introduzione alle Misurazioni
con gli Estensimetri, Darmstadt,
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (1987).