{"id":22360,"date":"2023-05-03T16:31:40","date_gmt":"2023-05-03T14:31:40","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/05\/03\/materiali-fettucce-polimeriche-per-sospensioni-da-competizione\/"},"modified":"2023-05-03T16:31:40","modified_gmt":"2023-05-03T14:31:40","slug":"materiali-fettucce-polimeriche-per-sospensioni-da-competizione","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/05\/03\/materiali-fettucce-polimeriche-per-sospensioni-da-competizione\/","title":{"rendered":"Materiali: fettucce polimeriche per sospensioni da competizione"},"content":{"rendered":"
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Il polietilene ad altissimo peso molecolare, o UHMWPE (da Ultra High Molecular Weight Poly-Ethylene), \u00e8 un materiale ancora poco conosciuto, caratterizzato da catene polimeriche estremamente lunghe che gli conferiscono un\u2019elevata resistenza. Grazie alle notevoli propriet\u00e0 meccaniche specifiche, il suo utilizzo si sta gradualmente estendendo a molteplici campi di applicazione.<\/em><\/p>\n

Autori: Giangiacomo Minak, Tommaso Maria Brugo, Cristiano Fragassa<\/strong><\/p>\n

Questo studio descrive, forse per la prima volta, come l\u2019UHMWPE possa rappresentare una soluzione valida per realizzare sospensioni estremamente leggere ed efficienti per veicoli terrestri. \u00c8 questo il caso delle minicar elettriche<\/em>, sempre pi\u00f9 comuni sulle nostre strade. In particolare, in questo studio si mostra come giunzioni in UHMWPE possano garantire traiettorie cinematiche corrette, funzionalit\u00e0 particolari e prestazioni complessive migliorate rispetto ad una soluzione metallica, con anche una riduzione in peso dell\u201988%. \u00c8 stata infine condotta una campagna sperimentale per valutare il comportamento a ratcheting<\/em> di questo materiale e le diverse propriet\u00e0 meccaniche necessarie per una corretta progettazione.<\/p>\n

Introduzione<\/h2>\n

In alcune applicazioni avanzate dell\u2019ingegneria\u00a0strutturale, come\u00a0nel caso della progettazione di\u00a0veicoli particolarmente leggeri ed efficienti, il progettista deve puntare sempre ad utilizzare materiali con\u00a0le rigidezze e resistenze specifiche\u00a0pi\u00f9 elevate possibili. In questo modo, riuscir\u00e0 ad ottenere riduzioni anche significative nel peso con impatto non trascurabile in termini di efficienza energetica generale.<\/p>\n

In tal senso sono forse i veicoli solari a rappresentare un caso pi\u00f9 estremo e di indubbio interesse. Questi veicoli sono infatti prototipi destinati a percorre lunghi tragitti, migliaia di chilometri in pochi giorni, spesso\u00a0in condizioni ambientali difficili, come\u00a0nel caso di steppe e deserti.\u00a0Ridurre al minimo il peso consente, insieme ad altri accorgimenti, di massimizzare l\u2019efficienza energetica e rendere il veicolo competitivo.<\/p>\n

In termini di progettazione del sistema di sospensione,\u00a0oltre a qualsivoglia altra considerazione di design automobilistico, il progettista deve agire con cura\u00a0per\u00a0ridurre\u00a0ogni sorta di dissipazione energetica. La vettura deve, per esempio, essere particolarmente stabile sulle asperit\u00e0 stradali, le vibrazioni devono essere minime, l\u2019inerzia rispetto alle variazioni di velocit\u00e0 e direzione deve essere limitata.\u00a0Significa, in pratica, che il\u00a0progetto deve puntare a sospensioni rigide, leggere e precise<\/em>, dove la possibilit\u00e0 di ottenere (o non ottenere) tali risultati resta anche legata alla scelta dei materiali.<\/p>\n

Prendendo in considerazione i ben noti diagrammi di Ashby<\/em>\u00a0appaiono evidenti i vantaggi legati all\u2019utilizzo dei materiali compositi e, nello specifico, di plastiche rinforzate da fibra di carbonio\u00a0(CFRP). Come sandwich in presenza di\u00a0carichi\u00a0di\u00a0flessione\u00a0o quali assorbitori di energia,\u00a0in forma di\u00a0laminati in tutti gli altri casi, il CFRP si sono ormai affermati in numerose applicazioni automotive<\/em>. Resta anche l\u2019opzione di reintrodurre i metalli dove altre condizioni sconsigliano i compositi (ad es. elevate pressioni di contatto, carico trasversale, esposizione agli agenti ambientali\u00a0e cos\u00ec via).\u00a0In situazioni molto molto specifiche,\u00a0infine, dove sono presenti vincoli funzionali e geometrici, come appunto nel sistema di sospensioni qui studiato, altri tipi di materiali, quali i polimeri ad alte prestazioni, possono essere presi in considerazione dal progettista.<\/p>\n

Questo studio prende forma a seguito della decisione di utilizzare esclusivamente CFRP per realizzare il sistema a sospensione del pi\u00f9 recente veicolo solare italiano. Si tratta di un prototipo da gara a quattro posti,\u00a0della classe \u2018Cruiser<\/em>\u2019, progettato e costruito dall\u2019Universit\u00e0 di Bologna in collaborazione con l\u2019ASD Onda Solare e diversi partner industriali.\u00a0Questo veicolo, che nell\u2019estate del 2018 ha vinto l\u2019American Solar Challenge percorrendo 2.780 km con energia esclusivamente solare, si \u00e8 dimostrata cos\u00ec un valido compromesso di scelte progettuali e costruttive.\u00a0Tra queste, una particolare attenzione \u00e8 stata rivolta proprio alla progettazione di una soluzione efficace per le sospensioni.\u00a0La\u00a0forma\u00a0generale del veicolo\u00a0\u00e8 mostrata in Figura 1<\/strong>, dove la posizione dei sistemi di sospensione \u00e8 visibile in trasparenza.<\/p>\n

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Figura 1. Schema di veicolo solare<\/figcaption><\/figure>\n

Lo chassis del vicolo \u00e8 stato prodotto autoclave in un\u2019unica sezione in sandwich <\/em>di CFRP, mentre\u00a0il resto della componentistica meccanica \u00e8 stato costituito attraverso laminati pieni di CFRP.<\/p>\n

Diversamente dalla maggior parte delle applicazioni ingegneristiche, nel caso di veicoli da corsa le specifiche progettuali principali sono dettate dal regolamento di gara.\u00a0Tali requisiti riguardano, in particolare,\u00a0aspetti quali:\u00a0dimensioni,\u00a0sicurezza, visibilit\u00e0,\u00a0guidabilit\u00e0,\u00a0potenza assorbita dal pannello solare e caratteristiche della batteria.\u00a0Tutti\u00a0questi vincoli tecnici, uniti all\u2019obiettivo\u00a0generale di consumo minimo di\u00a0energia,\u00a0hanno condotto,\u00a0per gli aspetti meccanici e strutturali,\u00a0ad un peso totale della macchina inferiore\u00a0ai 330\u00a0kg.\u00a0Aggiungendo il peso (standard da regolamento) dei 4 passeggeri, pari a 320 kg, il carico totale sulle 4 sospensioni \u00e8 risultato di 650 kg.<\/p>\n

In generale, la\u00a0sospensione di un\u2019auto \u00e8 un insieme di leveraggi ed elementi elasticamente deformabili che, vincolando le masse non sospese con le masse sospese, ha la funzione di implementare una distribuzione predeterminata delle forze variabili insistenti sulle ruote sia in trazione che in curva che in frenata e di ridurre gli urti trasmessi in seguito al passaggio del veicolo sulla\u00a0asperit\u00e0\u00a0della strada.\u00a0La sospensione,\u00a0quindi,\u00a0include tutte quelle parti che collegano le ruote al telaio, e si compone di tre parti principali: una parte strutturale, una parte elastica e una parte smorzante.<\/p>\n

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Figura 2. Schema della sospensione anteriore<\/figcaption><\/figure>\n

La parte strutturale \u00e8 ottenuta tramite un gruppo di leve che ha lo scopo di guidare la sospensione e di\u00a0conseguenza\u00a0la ruota nel suo movimento\u00a0relativo al\u00a0telaio. In particolare, il cinematismo scelto per\u00a0la\u00a0sospensione anteriore \u00e8 rappresentato in Figura\u00a02<\/strong>.\u00a0Si tratta di\u00a0una sospensione a bracci longitudinali, particolarmente adatta ai lunghi rettilinei attesi, accoppiata ad una molla trasversale a balestra che ha anche un\u00a0ruolo\u00a0antirollio\u00a0in quanto connessa ad entrambe le ruote anteriori.<\/p>\n

L\u2019architettura della sospensione comprende una biella caricata in trazione che collega il\u00a0braccio superiore a forma di\u00a0lambda<\/em>\u00a0alla molla a balestra posta sotto.\u00a0Fondamentalmente, il veicolo \u00e8 sospeso a quella biella che trasferisce il carico all\u2019elemento lambda e quindi attraverso un pilastro, alla ruota.<\/p>\n

La biella ha anche l\u2019importante funzione di trasferire una sola componente del carico. In applicazioni quali le sospensioni meccaniche dei veicoli stradali, infatti, pu\u00f2 accadere che la linea di azione delle forze trasmesse dagli elementi strutturali del telaio cambi durante le diverse fasi di trasmissione del carico. Una soluzione di principio per evitare che in tali frangenti si vengano a generare momenti flettenti oppure torcenti non desiderati all\u2019interno del cinematismo \u00e8 quella di congiungere gli elementi strutturali della sospensione medianti organi meccanici noti particolarmente snelli in grado di intervenire con componenti di forza monodimensionali. Questi organi meccanici, come la biella nel caso specifico, devono, cio\u00e8, essere caratterizzati da un\u2019elevata rigidezza assiale accoppiata a rigidezze flessionali e torsionali molto inferiori, persino, se possibile, completamente labili rispetto a quelle sollecitazioni. Questi organi meccanici devono, inoltre, essere tali da riuscire ad essere collegati con semplicit\u00e0 alle altre parti della sospensione meccanica nella quale vengono utilizzati e che presentino, ad esempio, soluzioni di fissaggio adeguate ad adattarsi al cinematismo richiesto in termini ad esempio di angoli e dimensioni.<\/p>\n

La nostra biella deve essere molto piccola per adattarsi allo schema della sospensione, ma soprattutto \u00e8 necessario che\u00a0abbia giunzioni di tipo sferico alle estremit\u00e0 in modo che la cinematica dell\u2019elemento lambda faccia muovere la parte superiore della biella su un cerchio nel piano sagittale, mentre l\u2019estremit\u00e0 inferiore si muova sul piano trasversale durante la deformazione della molla a balestra.<\/p>\n

Seguendo queste considerazioni funzionali, sono state prese in considerazioni diverse soluzioni, tra le quali anche l\u2019uso di\u00a0fettucce di\u00a0UHMWPE (nome commerciale Dyneema<\/em>), risultata poi una vera ottimizzazione progettuale.<\/p>\n

In generale una fettuccia in Dyneema, rispetto a soluzioni analoghe (es. \u00a0nylon, kevlar) offre un primo vantaggio essenziale, quale una migliore resistenza alla trazione (doppia rispetto al nylon, +40% rispetto al kevlar). Ne consegue un componente molto pi\u00f9 sottile, leggero e meno ingombrante. Ma le\u00a0propriet\u00e0 meccaniche delle\u00a0fibre UHMWPE\u00a0(a temperatura ambiente) sono piuttosto interessanti per il progettista, anche quando paragonate a soluzioni in metallo oppure composito,\u00a0tanto da avere ispirato la nostra idea (brevettata) di utilizzare UHMWPE\u00a0per realizzare\u00a0giunzioni molto pi\u00f9 leggere e compatte.<\/p>\n

Con una densit\u00e0 di 975 kg\/m3<\/sup>, un modulo elastico di 110 GPa ed una resistenza a trazione di 3400 MPa, le fettucce in Dyneema <\/em>possono dimostrarsi molto utili.<\/p>\n

Al giorno d\u2019oggi questi materiali\u00a0si trovano, di fatto, solo in\u00a0applicazioni sportive che richiedono leggerezza e resistenza\u00a0come, ad esempio,\u00a0in paracadute, parapendio\u00a0o\u00a0vela competitiva.\u00a0Sono\u00a0anche utilizzati nel tiro con l\u2019arco o come fili da pesca sportiva in forma di monofilamenti.\u00a0Inoltre, sono conosciuti nella arrampicata, anche grazie alla loro alta resistenza all\u2019abrasione.\u00a0Per quanto riguarda le applicazioni industriali,\u00a0fibre UHMWPE sono talvolta utilizzate per\u00a0realizzare funi\u00a0di ancoraggio nel settore\u00a0petrolifero offshore.\u00a0La loro\u00a0resistenza\u00a0all\u2019abrasione\u00a0e ai prodotti chimici\u00a0rendono queste corde alternative interessanti ai cavi metallici in \u200b\u200bambienti corrosivi. Ma niente pi\u00f9.<\/p>\n

Oltre ad una conoscenza ancora piuttosto scarsa dei vantaggi offerti da questa fibra, presentata spesso come la pi\u00f9 resistenza sul mercato, una delle ragioni di una sua limitata diffusione al di fuori dell\u2019ambito sport e svago pu\u00f2 essere legata ad una sua peculiarit\u00e0 che ne complica l\u2019utilizzabilit\u00e0: lo scorrimento viscoso<\/em>. Questo aspetto \u00e8 piuttosto noto in ambito nautico, dove fibre UHMWPE\u00a0sono utilizzate in vele ad alte prestazioni, ma vengono spesso accoppiate con altre fibre\u00a0resistenti allo scorrimento viscoso, come carbonio oppure Kevlar.<\/p>\n

Il problema dello scorrimento viscoso, cio\u00e8 quella tendenza di alcuni materiali ad avere una deformazione crescente nel tempo in presenza di un carico statico, \u00e8 un problema che pu\u00f2 presentarsi abbastanza spesso in presenza di alcune tipologie di fibre. Per il loro corretto utilizzo, in generale, devono essere impiegate procedure di progettazione aggiuntive tali da garantire la resistenza al creep<\/em> e al ratcheting<\/em>. Il ratcheting <\/em>\u00e8 definito come l\u2019accumulo progressivo di\u00a0deformazione plastica\u00a0in materiali sottoposti a carico ciclico in controllo di forza con sollecitazione media diversa da zero.\u00a0Questo accumulo procede\u00a0all\u2019aumentare del numero di cicli di carico e potrebbe portare alla rottura.<\/p>\n

Purtroppo, per\u00f2, sono molto pochi gli studi che trattano del comportamento di fibre termoplastiche caricate (in trazione) a fatica pulsata e, per quanto a conoscenza degli autori, non esistono ricerche specifiche\u00a0sul comportamento a ratcheting<\/em> di fibre, funi oppure fettucce in UHMWPE. Di conseguenza, prima di procedere ad un qualsiasi utilizzo reale del Dyneema<\/em>, \u00e8 stato necessario portare a termine una caratterizzazione sperimentale di questo materiale.<\/p>\n

Progetto<\/h2>\n

La biella presa in considerazione deve sopportare un carico assiale statico pari\u00a0a quella\u00a0quota\u00a0del\u00a0peso dei passeggeri e della vettura\u00a0che insiste sull\u2019asse specifico.\u00a0Inoltre, \u00e8 soggetta ai carichi dinamici dovuti alla normale oscillazione verticale del veicolo che si verifica durante le fasi di moto e, infine, a carichi impulsivi in conseguenza dell\u2019impatto su eventuali ostacoli.<\/p>\n

Per quanto riguarda la sospensione anteriore, dove si trova la biella, si \u00e8 valutato che il carico statico per ruota singola sia di 0.5 kN quando il veicolo \u00e8 scarico mentre sale a 1 kN quando il veicolo trasporta i 4 passeggeri.\u00a0Il carico dinamico\u00a0\u00e8 stato considerato come un multiplo di quello statico, impostato a 2 kN durante la guida e 5 kN in caso di urto.\u00a0Tutte queste forze caricano la biella esclusivamente in trazione.<\/p>\n

Le specifiche sulla corsa (negativa e positiva) della ruota che sono state utilizzate per progettare la molla a balestra non sono importanti per la scelta della biella, a condizione che sia significativamente pi\u00f9 rigida rispetto alla molla (una condizione sostanzialmente verificata).<\/p>\n

Nella Figura 3<\/strong>\u00a0\u00e8 mostrata la cinematica della sospensione, mediante le due posizioni estreme\u00a0nelle viste laterale e frontale.<\/p>\n

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Figura 3. Schema del cinematismo della sospensione.<\/figcaption><\/figure>\n

Un requisito generale utilizzato per la scelta di questo elemento (biella) \u00e8 quella di limitarsi a selezionare componenti commerciali e, quando possibile, con un valore di carico ammissibile in qualche modo certificato.\u00a0Questa considerazione di fondo ha escluso diverse interessanti opzioni, come, ad esempio, l\u2019impiego di elementi in filo di acciaio crimpato<\/em>. Questi fili sarebbero stati molto efficaci in termini di leggerezza; inoltre il metallo avrebbe permesso di non trascurare aspetti come la\u00a0viscoplasticit\u00e0. Tuttavia,\u00a0da una ricerca di mercato emerge come i fili disponibili per carichi cos\u00ec elevati non portino poi a sistemi di giunzione tali da rispettare gli ingombri ridotti previsti (meno di\u00a0150\u00a0mm).<\/p>\n

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Design convenzionale: barra di acciaio\u00a0e\u00a0connessioni sferiche<\/h2>\n

La soluzione commerciale pi\u00f9 tradizionale \u00e8 quella di una barra di acciaio con due connessioni sferiche, come rappresentata nella Figura 4<\/strong>, che pu\u00f2 essere dimensionata in accordo con la ISO 12240-4. Le esatte dimensioni dipendono dai tipi di materiali utilizzati nell\u2019accoppiamento.<\/p>\n

In Tabella 1<\/strong> sono riportati alcuni esempi di giunti sferici disponibili in commercio e adatti ai carichi previsti. Nel caso, di acciaio su acciaio, ad esempio, \u00e8 possibile indirizzarsi ad utilizzare due teste sferiche commerciali con un diametro di 18 mm (d2), uno spessore di 9 mm (B) e una lunghezza totale (h) di 45 mm, unite da un montante di alluminio. La lunghezza minima totale (2xl2) dell\u2019asta diventa 110 mm per un peso totale 26 grammi.<\/p>\n

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Tabella 1. Esempi di possibili giunti sferici disponibili in commercio<\/figcaption><\/figure>\n

In questo caso la lunghezza minima \u00e8 determinata dalla geometria della testa, e anche il diametro della testa da un lato pu\u00f2 essere troppo grande per adattarsi alla molla a balestra e dall\u2019altra il diametro del perno di collegamento (d) \u00e8 limitato a 6 mm a causa della dimensione del foro della testa. Questa situazione potrebbe rappresentare un problema nella connessione all\u2019elemento lambda a causa delle elevate pressioni di contatto sugli strati CFRP.<\/p>\n

Sulla base delle stesse considerazioni progettuali \u00e8 stata studiata la possibilit\u00e0 di utilizzare un elemento polimerico commerciale. Sono stati inizialmente valutati cavi di Kevlar con un diametro di 12 mm e resistenza nominale di 20 kN, ma la crimpatura ha evidenziato gli stessi problemi geometrici riscontrati nel caso dei fili metallici. Inoltre, la realizzazione di nodi ha portato a una riduzione netta (e difficile da prevedere) della resistenza nominale, eliminando in questo modo il vantaggio offerto dall\u2019avere un componente commerciale. A tale proposito, nella Figura 5<\/strong> viene mostrato l\u2019effetto di diversi tipi di nodi sul comportamento quasi statico del cavo. Si pu\u00f2 notare che il serraggio del nodo \u00e8 responsabile di grandi spostamenti con carico molto limitato. In nessun caso la resistenza massima \u00e8 vicina a quella nominale e anche la rigidezza complessiva non \u00e8 adatta all\u2019applicazione.<\/p>\n

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Figura 5. Effetto della presenza di nodi in un cavo in Kevlar<\/figcaption><\/figure>\n

Infine, \u00e8 stata presa in considerazione una fettuccia mostrata nella Figura 6<\/strong>. Cucita in Dyneema, <\/em>rappresenta un prodotto commerciale ampiamente utilizzato per l\u2019alpinismo, dotata inoltre di marchio certificazione CE<\/em> per 22 kN. In questo caso la lunghezza minima \u00e8 100 mm, il peso \u00e8\u00a06\u00a0grammi, la larghezza \u00e8 di\u00a010 mm\u00a0e il diametro della testa \u00e8 uguale al diametro del perno pi\u00f9 due volte lo spessore della fettuccia, pari a\u00a02 mm.\u00a0Queste fettucce possono essere collegate alla molla a balestra e all\u2019elemento lambda superiore mediante perni da 12 mm, portando a una\u00a0pressione di contatto\u00a0accettabile per il materiale.<\/p>\n

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Figura 6. Fettuccia commerciale cucita in Dyneema<\/figcaption><\/figure>\n

Comportamento a\u00a0ratcheting<\/h2>\n

Visto che il peso del veicolo vuoto sulla sospensione anteriore rappresenta una frazione piuttosto piccola rispetto al carico di rottura del UHMWPE, si \u00e8 deciso di saltare una lunga campagna di test di creep<\/em> per procedere prima a valutare il ratcheting<\/em>.<\/p>\n

Prove cicliche in controllo di carico sono state stato eseguite su una macchina servo-idraulica Instron 8033<\/em>, dotata di una cella di carico da 25 kN.\u00a0La frequenza \u00e8 stata impostata a 0.5 Hz con un rapporto di\u00a0carico variabile,\u00a0ma\u00a0mantenendo sempre il carico minimo a 1 kN, corrispondente alla\u00a0quota\u00a0del\u00a0peso del veicolo e dei passeggeri su una singola ruota anteriore.\u00a0In Figura 7<\/strong> \u00e8 possibile vedere il sistema di caricamento del campione.<\/p>\n

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Figura 7. Campione montato sugli afferraggi e caricato in tensione<\/figcaption><\/figure>\n

Sono\u00a0stati condotti\u00a03\u00a0tipi di test, tutti con carico ciclico sinusoidale, su\u00a03\u00a0campioni ciascuno:<\/p>\n