Sistemi Sospensivi Pro-link e Pro-lever

Valentino Bononi: minijcwforever@gmail.com
(degree in mechanical engineering)
Stefano Bagato: stefanobagato@gmail.com
(degree in mechanical engineering)
Enrico De Stefani: enrico.destefani@hotmail.com
(degree in mechanical engineering)
 

Introduzione

“Così nello spazio di poche ore seppi tutto delle motociclette: che erano meravigliose, che nulla poteva eguagliarle, che avevano voce e odore, che potevano essere domate con grande bravura, che la strada non è una semplice striscia di asfalto, ma diventa fertile terreno per le emozioni” .

Prendendo in esame la fetta di mercato che spetta alle moto sportive di media cilindrata a contendersi il primato sonot sicuramente la Yamaha YZF-R6 e la Honda CBR-RR600. Entrambe le moto sono dotate di un propulsore da 600cm3 a 4 tempi con iniezione elettronica che eroga una potenza di circa 120cv a 13500rpm. Per ciò che riguarda la ciclistica troviamo molte somiglianze tra cui il telaio delta box, forcellone in alluminio, cerchi da 17”, freni a disco anteriori e posteriori ma anche l’assetto geometrico è molto simile con un interasse totale compreso tra i 1380mm e i 1400mm, un’altezza sella di 800mm e un angolo di sterzo di 23° il tutto racchiuso in 180kg di pura tecnologia.

La differenza che più incuriosisce sta però nella diversa soluzione adottata per la sospensione posteriore, pro-link per Honda e pro-lever per Yamaha, andremo quindi a realizzare un modello che analizzi le due diverse soluzioni in modo da ottenere una comparativa analitica che cerchi di motivare le due differenti scelte.

Obiettivo

L’obiettivo del progetto sarà dunque quello di ricavare le forze agenti sulla sospensione posteriore e in generale sull’intero sistema motocicletta per analizzare le perturbazioni che influenzano la stabilità del veicolo e valutare quale delle due soluzioni risulti più stabile e confortevole a parità di condizioni. Per fare ciò utilizzeremo il software LMS Virtual Lab che sfrutta la tecnologia multibody per la simulazione di sistemi meccanici, così da svolgere una progettazione accurata e ottimizzata sul modello realizzato in CATIA V5 che ricrea la geometria dei due modelli Yamaha YZF-R6 e Honda CBR-RR600.

Modellazione

Per ottenere dei risultati comparativi abbiamo realizzato due motociclette che hanno il maggior numero possibile di parti in comune ed assemblate in modo tale che variando la sola lunghezza libera di forcella ed ammortizzatore posteriore riescano a dare gli stessi valori di interasse, avancorsa e angolo di sterzo.

Sono stati quindi realizzati i modelli di telaio, carena, serbatoio, motore, avantreno superiore composto da piastre di sterzo e foderi forcella, avantreno inferiore composto da steli forcella e piedino, ammortizzatore posteriore, forcellone e biellismo, ruota anteriore e posteriore.

Con la premessa che realizzare un modello esattamente fedele alla realtà richiederebbe un tempo ingiustificato alla finalità del nostro progetto, oltre alle difficoltà oggettive che nascono nel realizzare una motocicletta in ogni suo singolo componente, il modello è stato reso simmetrico rispetto al piano di mezzeria del veicolo. Abbiamo così ottenuto un’analisi più pulita e mirata nell’obiettivo sopra citato evitando sbilanciamenti laterali che avrebbero generato perturbazioni estranee al semplice funzionamento del cinematismo posteriore.

  

  

Geometria:

Partendo dal rilievo effettuato su due motociclette reali sono stati ricavati i punti fondamentali che caratterizzano il telaio. Sono stati riportati nel modello 3D del telaio il forcellone scatolato in alluminio e le sospensioni. I punti di maggior interesse sono quelli relativi al canotto di sterzo per determinarne l’angolo di apertura, l’attacco del forcellone, i due attacchi relativi all’ammortizzatore posteriore dei link di tipo pro-lever e pro-link.

   

Cinematica dei sistemi:

Presteremo attenzione a due aspetti importanti, ovvero:

  • Incremento corsa ruota – corsa ammortizzatore
  • Variazione della progressività

Prendendo in analisi il cinematismo pro-lever si sono svolte alcune prove variando la geometria del link così da poter valutare la diversa influenza di asta e triangolo sulla progressività.

Come si riporta dal disegno e dalla tabella sottostante, si sono effettuate quattro analisi con le modifiche citate nella tabella:

A

B

C

D

Note

Caso di analisi 1

67

48

85

120

Link standard

Caso di analisi 2

67

48

85

150

Modifica asta

Caso di analisi 3

80

60

110

120

Modifica triangolo

Caso di analisi 4

80

60

110

150

Modifica asta e triangolo

 

L’aspetto principale si attesta nell’andamento pressoché lineare del funzionamento. Ci si aspettava un comportamento progressivo, quindi con spostamenti maggiori all’aumentare della corsa dell’ammortizzatore, mentre dal grafico incremento corsa ruota – ammortizzatore  (valutato partendo dalla moto in assetto libero, quindi con ammortizzatore completamente esteso) si nota che in ogni caso a variare è solo la pendenza della curva. Varia solo la velocità con cui si muove la ruota posteriore in quanto la forza applicata per la simulazione è rimasta invariata.

Questo ci suggerisce che, variando le dimensioni del triangolo (Analisi 3) avremmo un assetto più rigido rispetto alla configurazione standard proposta da Yamaha nell’R6 (Analisi 1), poiché a parità d’incremento della corsa della ruota si ottiene un’escursione minore dell’ammortizzatore (una rigidezza k maggiore quindi); viceversa allungando l’asta (Analisi 2) o combinando l’allungamento dell’asta con il nuovo triangolo (Analisi 4), otteniamo una risposta opposta con assetto più morbido e quindi maggiore escursione dell’ammortizzatore (una rigidezza k minore). A conferma di tale valutazione si può analizzare il diagramma in cui si riporta la forza generata dal TSDA in funzione del suo spostamento. A parità di forza si ha un minore spostamento, dell’ammortizzatore posteriore, per assetti rigidi (Analisi 3) e spostamenti maggiori per assetti morbidi (Analisi 2-4) rispetto a quello originale.

A conclusione di questa verifica possiamo proporre che, dall’analisi svolta sul nostro modello, l’unico modo di ottenere un andamento più progressivo sia quello di apportare modifiche sostanziali al cinematismo quali ad esempio un diverso attacco dell’ammortizzatore o dell’asta a telaio.     

L’utilizzo di un ammortizzatore unico davanti alla ruota posteriore assicura:
  • L’uso di ammortizzatori molto corti che garantiscono comunque buone escursioni
  • Un fissaggio adeguato a telaio
  • Riduzione dell’inerzia nella moto
  • Variabilità progettuale nei rapporti di escursione e progressione

Nel cinematismo pro-lever l’ammortizzatore è infulcrato a telaio, sul triangolo del link e sulla bielletta. Questa soluzione è caratterizzata da un moto di traslazione e di rotazione che ottimizzato potrebbe garantire anche un funzionamento puramente di traslazione riducendo così al minimo gli ingombri sul veicolo.

Nel cinematismo pro-link invece l’ammortizzatore è infulcrato direttamente sul forcellone diventando basculante con esso, sarà quindi da verificare l’influenza di una massa sospesa soggetta a questi spostamenti non trascurabili.

Parametri dei modelli

Di seguito vengono riportati i parametri degli ammortizzatori e delle ruote usate nella costruzione dei due modelli. Otre a questo si riporta la distribuzione dei pesi adottata:

– Forcellone = 10kg

– Triangolo = 1kg

– Asta = 0.5kg

– Ruota posteriore (comprensiva di cerchio, gomma e dischi dei freni posteriori) = 12kg

– Ruota anteriore (comprensiva di cerchio, gomma e dischi dei freni anteriori) = 9kg

– Avantreno superiore = 13kg

– Avantreno inferiore = 5kg

– Telaio (comprensivo di carena, motore, marmitte, serbatoio, sellino, e tutti i componenti che accoppiano le precedenti parti quì descritte) = 130kg

Lunghezza libera ammortizzatore: 320mm Honda , 310mm Yamaha

Sottopiastra: 480mm per entrambe

Angolo di sterzo: 23° per entrambe

Spring constant ammortizzatore posteriore: 95000 N_m

Damping constant ammortizzatore posteriore: 7250 Kg_s

Spring constant ammortizzatore anteriore: 50000 N_m

Damping constant ammortizzatore anteriore: 6000 Kg_s

Per le ruote si è utilizzato il modello di simple tire offerto da LMS. Il gruppo ammortizzatore-molla della sospensione è stato modellato e simulato utilizzando un TSDA (Translational Spring Damper Actuator ) in cui si sono impostati i valori della lunghezza molla (considerando anche un precarico della molla di 10mm), del damping coefficent e della spring costant. È stato inserito un ammortizzatore di sterzo in quanto si è deciso di non usufruire di un controllo automatico che bilanciasse il motoveicolo, ma di avere una semplice resistenza di sterzo per meglio focalizzarsi sul simulare ed analizzare le sospensioni e la dinamica del veicolo al variare dei vari input ricevuti.

Ruota anteriore:

Raggio: 305mm

Damping constant: 5000 Kg_s

Rolling resistance: 0.05

Friction coefficient: 1

Cornering stiffness: 16000 m*Kg_s2_rad

Vertical stiffness: 130000 N_m

Ruota posteriore:

Raggio: 330mm

Damping constant: 5000 Kg_s

Rolling resistance: 0.05

Friction coefficient: 1

Cornering stiffness: 16000 m*Kg_s2_rad

Vertical stiffness: 130000 N_m

Simulazione ed analisi dei risultati

Test di confronto

Si è puntato ad analizzare la stabilità delle due moto in 3 diversi profili di velocità costituiti da stato iniziale di quiete, tratto di accelerazione iniziale controllata ad andamento esponenziale, tratto di accelerazione lineare di 6.9m_s2 costante, tratto di raccordo per raggiungere una velocità di regime di 50Km/h – 100Km/h – 200Km/h.

In seconda analisi, per ogni moto, una volta raggiunta la rispettiva velocità di regime di 50Km/h – 100Km/h -200Km/h è stata valutata l’ iterazione con un tipico dosso stradale. Il profilo del dosso è riportato affianco; presenta un andamento cosinusoidale di ampiezza 40mm ed estensione di 300mm.

 Nella dinamica delle moto è stata tralasciata tutta la parte di trasmissione del moto riguardante il motore ed il tiro catena imponendo un moto circolare alla ruota posteriore tramite l’utilizzo di un joint position driver. È stata realizzata una distribuzione dei pesi 50:50 tra anteriore e posteriore. Gli output delle prove sono stati incentrati sull’andamento della forza che agisce sui pneumatici e sull’escursione/velocità dell’ammortizzatore posteriore.

Analisi profili di velocità

RETTILINEO SENZA DOSSO: Osserviamo come le due moto raggiungono in maniera pressoché uguale la velocità di regime di 50km/h e 100km/h e solo nella fase di accelerazione della rampa dei 200km/h si può notare una leggera differenza. Si riporta il grafico dei tre profili di velocità:

Analisi carichi pneumatici

RETTILINEO SENZA DOSSO:Si riportano i profili di carico del pneumatico anteriore e posteriore nelle varie curve di velocità.

  

Sistemi Prolink e Prolever danno comportamenti molto simili nella fase di accelerazione sia in termini di andamento, sia in termini di valori dei carichi.

In primo impatto il modello è coerente con la realtà in quanto in fase di accelerazione  si carica il posteriore, scaricando il pneumatico anteriore. A velocità di regime i carichi sul pneumatico anteriore e posteriore rimangono stabili.

OSSERVAZIONE IMPORTANTE: Indipendentemente dal profilo di velocità adottato il sistema prolink fa sempre lavorare i pneumatici in un intervallo di valori minore rispetto al prolever, in particolare conferisce minore carico sulla gomma posteriore rispetto al prolever, ma maggiore carico sulla gomma  anteriore rispetto al prolever. Inoltre il prolever determina picchi più alti dei carichi sulle ruote nell’ istante di accelerazione iniziale.

RETTILINEO CON DOSSO: Si riportano i profili di carico delle gomme nell’intervallo di tempo di interazione col dosso.

  

In tutte le iterazioni con un dosso, si nota sempre un picco di carico all’anteriore seguito da un picco di carico al posteriore e da una serie di assestamenti. Si notano sempre tratti in cui il carico va a zero in quanto il pneumatico si stacca da terra. Vi è un andamento crescente dei carichi con la velocità. Il prolever carica sempre di più il pneumatico posteriore nell’ impatto con un dosso. Nel Prolink il comportamento è più sensibile alla velocità di impatto, generalmente determina un comportamento opposto, ovvero più carico sul pneumatico anteriore e meno sul posteriore. Le entità di carico raggiunte sono pressoché identiche per le due soluzioni adottate, tuttavia a basse velocità(50Km/h) il prolink presenta picchi di carico molto più elevati rispetto ad una soluzione prolever.

Analisi della cinematica della sospensione posteriore:

Si riportano i grafici dell’escursione della sospensione posteriore e della relativa velocità, sia nella fase di accelerazione, sia nella fase d’interazione col dosso.

 

 

  

 

 

 

Il lavoro di compressione ed estensione dell’ammortizzatore, per le tre rampe di velocità su strada senza dosso, risulta privilegiare nettamente la sospensione pro-lever, come si può notare dai grafici sovrastanti. La pro-lever presenta una compressione sempre minore della pro-link di circa 3-4mm a parità di sollecitazione. Mentre la velocità di compressione è pressoché uguale per entrambe le moto. Si notano lievi differenze solo al raggiungimento della velocità di regime.

Si può vedere che l’estensione, durante il dosso, è uguale in entrambe le moto mentre la compressione è minore nella pro-lever nelle rampe a 50 e 100km/h mentre nella rampa a 200km/h supponiamo che il pro-lever sia sollecitato in maniera tale che il cinematismo operi al di fuori della sua linearità.

Dosso a 50kmh CBR

Dosso a 50kmh R6

Conclusioni

I risultati ottenuti dalle analisi sono conformi alle aspettative in quanto, a parità di parametri di modello, il sistema pro-lever è meno sollecitato (in termini di carichi e spostamenti) rispetto al sistema pro-link; ciò ne giustifica una maggior diffusione nei modelli presenti sul mercato.

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