XXXVII CONGRESSO AIAS

AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L ’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI
42° CONVEGNO NAZIONALE, 11-14 SETTEMBRE 2013, UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO
AIAS 2013 - 165
PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN VELOMOBILE
PER UNA MOBILITÀ URBANA SOSTENIBILE
P. Baldissera, C. Delprete, A. Mammino Venzoni
Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale
Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Sommario
In un contesto di mobilità urbana sempre più critico, lo sviluppo di alternative all’uso individuale
dell’automobile è un tema di crescente interesse. Una di queste alternative è rappresentata dai
velomobili, mezzi a pedali con tre ruote, seduta reclinata e carenatura esterna. Il Team studentesco
Policumbent del Politecnico di Torino ha sviluppato un progetto di velomobile da cui sta nascendo un
primo prototipo. In questa sede vengono presentate le considerazioni e le analisi che ne hanno guidato
la progettazione. Partendo da considerazioni di ergonomia della pedalata e ripartizione dei carichi si è
sviluppato il progetto cercando di rispondere alle esigenze strutturali e di assemblaggio e attraverso
l’analisi a elementi finiti si sono verificate la resistenza strutturale statica e a fatica. Nella fase
successiva si è finalizzata l’integrazione con i restanti componenti e con la carena, tramite opportuni
sistemi di ancoraggio e si è quindi avviata la produzione del veicolo.
Abstract
In such a critical urban mobility context, the development of alternative individual mobility tools to
substitute the automobile is of growing interest. One of these alternatives is represented by
velomobiles, human powered vehicles with three wheels, recumbent seat and external fairing. The
Policumbent Student Team of Politecnico di Torino developed a velomobile design from which was
born a first prototype. Hereafter all the considerations and analyses which leaded to its development
are presented. Starting from the ergonomics of pedaling and the loads distribution the design followed
the direction towards structural requirements and assemblability. Through finite element analysis
structural reliability and fatigue resistance of the model were verified. In the successive steps the
reciprocal integration of the components was finalized and the vehicle crafting started.
Parole chiave : velomobile, progettazione, human powered vehicle.
1. INTRODUZIONE
L’idea di progettare un velomobile nasce dalla constatazione che la situazione Italiana in ambito di
mobilità sostenibile è palesemente sotto la media Europea, soprattutto se messa a confronto a paesi
come Belgio, Olanda o Germania. Oltre a una forte base di mobilità ciclistica tradizionale, in questi
Paesi si stanno infatti sviluppando e sperimentando, con sempre maggiore successo, soluzioni nuove
anche per quanto riguarda la tipologia di veicoli a pedali: bici-cargo per le consegne di merci in
ambito urbano, family-bikes adatte al trasporto di 2 o 3 bambini e velomobili per l’ampliamento del
raggio d’azione della mobilità individuale a pedali. Il velomobile nella sua forma più diffusa è un
veicolo a tre ruote, in configurazione “tadpole” (due ruote anteriori e una posteriore), con seduta
reclinata e una carenatura avente triplice funzione: miglioramento dell’efficienza aerodinamica,
protezione dagli agenti atmosferici e incremento della sicurezza del ciclista in caso di urto.
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All’interno del Team studentesco Policumbent del Politecnico di Torino, attivo dal 2009, era presente
una buona base di conoscenze e metodologie in ambito ciclistico reclinato, che sono state il punto di
appoggio per valutare la fattibilità del progetto. Da questi presupposti sono nate le attività riguardanti
la progettazione del prototipo, evolute poi nella sua effettiva realizzazione.
Il gioco forza è stato adottare metodologie di progettazione ingegneristiche in un ambito che
generalmente è affidato all’esperienza pratica più che allo sviluppo tecnico-teorico. Con questo
s’intende l’aver adottato tutta quella serie di strumenti che rendono possibile la risoluzione di buona
parte dei problemi insiti nella prototipazione già a livello di modellazione virtuale, quali: analisi
strutturale con modelli agli elementi finiti (FEM), analisi fluidodinamica computazionale (CFD),
valutazione degli ingombri, studio della dinamica del veicolo.
La letteratura di riferimento è stata quella propria dell’ambito della progettazione di veicoli a motore
[1-3] che fornisce spunti utili, specialmente quando focalizzata su veicoli ibridi e/o leggeri [4, 5], ai
quali il velomobile può essere assimilato per struttura e dinamica pur differendo nella fonte primaria di
propulsione. Per tenere conto di aspetti più strettamente legati alla propulsione umana, una preziosa
fonte di informazioni è stato invece il Bicycling Science [6]. Inoltre, essendo i velomobili sul mercato
ancora prodotti con metodi semi-artigianali o comunque pre-industriali e non essendo disponibile una
specifica letteratura scientifica in merito, è risultata di grande utilità la partecipazione a eventi sportivi,
seminari e fiere, con esposizione e prova di questo tipo di veicoli per “toccare con mano” lo stato
dell’arte. Una buona panoramica sull’evoluzione dei velomobili negli ultimi vent’anni, oltre a essere
ricostruibile tramite ricerca sul web [7-9], è stata recentemente proposta da van Andel [10].
2. SVILUPPO DEL PROGETTO
2.1. Definizione delle specifiche di progetto
Prima di iniziare l’attività di progettazione vera e propria è stato messo a fuoco lo schema di veicolo a
cui si voleva effettivamente puntare e se ne sono elencate le caratteristiche fondamentali, per tenerle a
mente durante tutte le successive fasi:
 la trazione del veicolo sarà prevalentemente umana, con possibilità di assistenza elettrica entro
i limiti dettati dalle normative vigenti per le biciclette. Questo connubio estende notevolmente
le possibilità e i contesti di applicazione, da un uso per scopi sportivi a un’utenza generica
quotidiana;
 il velomobile sarà la combinazione di un trike, fruibile anche separatamente, a cui addizionare
una carenatura in materiale composito. Il primo ha lo scopo di adempire le funzioni
meccaniche e dinamiche necessarie al moto, la seconda aggiunge efficienza aerodinamica,
protezione verso gli agenti atmosferici e una discreta capacità di carico;
 il sistema sterzante sarà studiato per essere efficiente, ergonomico e soprattutto intuitivo;
 è prevista una sospensione per ogni ruota;
 dovranno essere adottati materiali dal peso ridotto, per non inficiare l’efficienza complessiva;
 i componenti saranno simulati agli elementi finiti per la validazione strutturale, soprattutto per
quanto riguarda quelli più critici: telaio, forcella posteriore, supporti ruote anteriori;
 è previsto un freno per ogni ruota, per garantire una frenatura omogenea;
 la trasmissione deve essere adatta a ogni tipo di tragitto: dal traffico in ambiente urbano alle
lunghe distanze con pendenze non sempre nulle. È importante quindi dare il giusto peso alla
scelta dei rapporti di trasmissione;
 la seduta dovrà essere comoda e il più possibile regolabile, dato che essa è uno dei principali
punti di forza del velomobile;
 l’ergonomia complessiva del veicolo non dovrà mai essere persa di vista.
Partendo da quest’idea di massima si è cercato di impostare fin da subito, dove possibile, opportuni
intervalli di riferimento relativi alle dimensioni più importanti che interessano direttamente il
comportamento del veicolo. Le principali sono: passo, interasse, raggio di sterzata, inclinazione della
seduta e posizione del baricentro. I primi tre parametri sono stati contenuti a valori inferiori alla media
di mercato per consentire buone prestazioni del veicolo in centri abitati con viabilità discontinua e/o
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nel traffico. L’inclinazione della seduta è stata determinata mediando le principali necessità che la
riguardano: mantenere basso il profilo del veicolo e garantire buona visibilità e comodità. Il baricentro
del veicolo è difficilmente posizionabile a priori in modo esatto poiché dipende fortemente dalla
corporatura e dalla posizione del passeggero. Si è quindi cercato di definirne una locazione ipotetica
arrivando a un compromesso tra lunghezza del veicolo e stabilità. In Tabella 1 sono riassunte le
principali dimensioni del veicolo.
Tabella 1: Dimensioni di massima del veicolo.
Interasse [mm]
1100
Carreggiata [mm]
750
Altezza da terra [mm]
151
Raggio di sterzata [m]
2.6
Massimo angolo di sterzo [°]
26
Diametro ruote [mm]
525
2.2. Telaio e forcella
Il punto di partenza per la progettazione della parte strutturale è consistito in un primo abbozzo del
layout del telaio, visibile in Figura 1(a), ancora scarno per quanto riguarda i particolari necessari
all’assemblaggio, ma utile come valutazione dell’ingombro necessario a dare al veicolo una coerenza
strutturale. Questo è stato disegnato in modo tale da fasciare senza intralciare il passeggero nella
posizione di guida scelta come ottimale per il veicolo e tale da soddisfare le dimensioni di interasse e
passo. Con lo stesso criterio è stato prodotto un primo abbozzo di forcella posteriore, Figura 1(b).
(a)
(b)
Figura 1: Primo layout del telaio (a) e della forcella (b).
Contestualmente alla modellazione e integrazione dei vari componenti nell’assieme, nel telaio sono
state introdotte le corrispettive caratteristiche necessarie all’assemblaggio o al corretto funzionamento
dei componenti. Nella forcella sono stati integrati i fissaggi necessari a montare i freni, la ruota
posteriore, la sospensione e il deragliatore posteriore; sul telaio sono invece connessi tutti i restanti
componenti, dal cinematismo dello sterzo alla pedivella.
Per il telaio e la forcella si è svolta un’analisi di sollecitazione statica agli elementi finiti, dai risultati
della quale si è proceduto a introdurre piccole migliorie per aumentare la rigidezza e la resistenza di
tali componenti. Per l’analisi del telaio, partendo dalle prove previste dalle normative vigenti per le
biciclette standard (UNI EN 14764 e affini), si è avviata una riflessione sulla loro adattabilità al caso
specifico, la cui trattazione approfondita è rimandata a un’altra memoria del presente convegno [11]. Il
telaio tubolare è stato discretizzato con elementi shell (QUAD e TRIA del 2° ordine), mentre per la
forcella posteriore e alcuni particolari si sono utilizzati elementi solidi (TETRA del 2° ordine). Le
saldature sono state riprodotte tramite elementi RBE2 secondo la metodologia suggerita in [12] e il
sistema di vincolo e carico è stato approntato utilizzando opportuni elementi RBE2 e RBE3. Sono stati
previsti tre casi di carico (A, B e C) secondo quanto schematizzato in Tabella 2 e la simulazione è stata
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effettuata dapprima con spessore dei tubi di 2 mm (diametro esterno 60 mm), successivamente di
1.5 mm e infine di 1.3 mm, in funzione della disponibilità di tale sezione in lega 7003-T6 con
lunghezze sufficienti ai fini del progetto. Il caso C tiene conto del fatto che il peso del ciclista non
grava sulle pedivivelle e quindi su di esse si scarica solamente la spinta muscolare e non vi sono
carichi di tipo dinamico indotti dalle eventuali sollecitazioni del fondo stradale, che invece si scaricano
verticalmente sul fissaggio sedile.
Tabella 2: Casi di carico applicati al modello del telaio.
Carico pedale e
Tiro catena [N] Carico verticale sedile [N]
controspinta sedile [N]
Caso A (UNI EN 14764)
1100
2290
Caso B (più gravoso)
1100
2290
1800
Caso C (realistico)
250
800
1800
Figura 2: Tensioni calcolate sulla forcella.
La forcella è stata simulata considerando vincoli analoghi a quelli di normale funzionamento del
veicolo e carichi cautelativamente sovradimensionati rispetto a un’ipotetica condizione limite
derivante da una manovra di abuso del veicolo. Si sono considerate le condizioni di frenata brusca,
forte sollecitazione sulla sospensione e sterzata improvvisa, applicate sia indipendentemente sia in
modo combinato. La condizione più gravosa è risultata essere quella combinata (Figura 2), ma l’unica
modifica che si è resa necessaria è stata l’introduzione di un rinforzo orizzontale, visibile in
Figura 3(b), per diminuire la flessione laterale dovuta ai momenti che insorgono durante la sterzata.
Dopo le prime simulazioni, nel modello del telaio sono stati inseriti i due traversini visibili in
Figura 3(a) che ampliano l’interfaccia di connessione tra le sezioni longitudinale e trasversale,
alleviando le tensioni sulle saldature della zona centrale. Come evidenziato in Figura 4, il rinforzo,
irrisorio in termini di peso, ha prodotto un decremento in tensione di 19 MPa (pari a −13%) nel caso di
carico B (più gravoso). Si è inoltre osservato che, al variare delle condizioni di vincolo, p.e.
introducendo una cedevolezza su uno degli appoggi anteriori, il modello di telaio rinforzato è in grado
di attenuare gli incrementi locali di tensione in corrispondenza della saldatura centrale. I valori finali
di tensione ottenuti sul telaio sono ampiamente compatibili con la resistenza statica della lega di
Alluminio 7003-T6 prescelta (Rm = 470 MPa) e, nella versione rinforzata, anche con il requisito di
sopravvivenza a fatica per un numero di cicli pari a 105 .
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(a)
(b)
Figura 3: Rinforzi al telaio (a) e alla forcella (b), evidenziati in verde.
(a)
(b)
Figura 4: Confronto tra telaio in versione originale (a) e rinforzata (b) nel caso di carico B.
2.3. Trasmissione
La trasmissione è di fondamentale importanza in questa tipologia di veicoli. L’input energetico
introdotto dal passeggero è localizzato nell’anteriore, tramite un classico sistema di pedivelle; la
propulsione è invece concentrata soltanto sulla ruota posteriore ed è quindi necessario trasferire la
potenza per mezzo di una catena, corredata di opportuni rinvii a guidarne il percorso (Figura 5).
Figura 5: Percorso della catena di trasmissione.
I rapporti di trasmissione sono stati scelti dopo un’attenta analisi delle condizioni in cui il velomobile
potrebbe venire a trovarsi. Sono presenti due corone (52 e 65 denti) all’anteriore e nove pignoni nel
posteriore, per un totale di diciotto diversi rapporti di trasmissione; si è evitata la coesistenza di
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accoppiamenti identici. La capacità totale nominale richiesta al deragliatore posteriore è calcolabile
considerando le dentature estreme del pacco pignoni e le due corone:
(
) (
)
Cn = Dc + D p = 65- 52 + 32 -11 = 34 denti,
(1)
dove D c e D p sono rispettivamente la differenza tra il numero di denti delle due corone e dei due
pignoni estremi.
La capacità ottenuta con la (1) è compatibile, a livello nominale, soltanto con deragliatori commerciali
a gabbia media. Nella pratica, poichè l’ingranamento dei pignoni più piccoli con la corona piccola non
è di alcuna utilità, ed è anche controproducente in termini di rendimento, si è scelto di rinunciare alla
totalità degli incroci preferendo una gabbia piccola ( C = 30 denti), di minore ingombro e con margini
di sicurezza maggiori rispetto al terreno, considerata la ridotta dimensione della ruota.
La lunghezza di catena deve quindi essere regolata in modo da poter funzionare al limite del
deragliatore nella configurazione 65/32 e quindi il minimo pignone ingranabile con la corona piccola
dovrà avere un numero di denti pari a:
(
)
n p = Dc + N p - C = 65- 52 + 32 - 30 =15 denti.
(2)
10
Sviluppo metrico
9
52
8
65
7
6
5
4
3
2
32
28
24
21
18
16
14
12
11
Pignone posteriore
Figura 6: Sviluppo metrico della trasmissione.
Nel grafico di Figura 6 si può osservare una possibile cambiata con partenza da fermo, fino al
raggiungimento della massima velocità. Lo sviluppo metrico espresso da marce adiacenti segue un
incremento il più possibile omogeneo, per evitare al ciclista eccessivi cambiamenti di cadenza.
2.4. Sistema sterzante
Il meccanismo di sterzo è azionato per mezzo di due leve poste ai lati del passeggero e accessibili
comodamente. Lo spostamento della leva è poi trasmesso alle ruote tramite due coppie di tiranti e un
movimento centrale basculante, il tutto connesso tramite snodi sferici di tipo “uniball”.
Il cinematismo è visibile in Figura 7; per arrivare a tale geometria è stata svolta una serie di
simulazioni cinematiche, con l’obiettivo di ridurre al minimo l’errore di sterzata. Come riferimento si
è considerato il quadrilatero ideale di Ackermann e si è progettato il sistema sterzante in modo da
minimizzare lo scostamento da tale riferimento.
2.5. Assieme e carena
La finalizzazione dell’assieme velomobile ha permesso di verificarne le fasi di montaggio e di
controllare accuratamente le possibili interferenze grazie all’utilizzo di un manichino CAD di
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proporzioni realistiche. In attesa di completare lo sviluppo della carena esterna si è avviata la
produzione del trike, che, per come è stato concepito, sarà utilizzabile anche in versione non carenata
(Figura 8) previa integrazione di un riparo aerodinamico e di sicurezza all’estremità anteriore.
Figura 7: Sistema sterzante.
Figura 8: Trike non carenato.
(a)
(b)
Figura 9: velomobile completo in configurazione chiusa (a) e aperta (b).
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La carena è stata sviluppata a partire da una prima bozza di stile. Tenendo in considerazione la sua
efficienza aerodinamica, valutata e migliorata mediante modellazione fluidodinamica in galleria del
vento virtuale, la sua compatibilità con il telaio, le sue parti mobili e l’ergonomia del passeggero, sono
state prodotte una serie di evoluzioni della carena da cui è stata poi selezionata quella finale, visibile in
Figura 9(a). L’accesso al velomobile avviene attraverso un’apertura a scrigno che ne permette un
comodo ingresso, come visibile in Figura 9(b).
Per quanto riguarda la sicurezza del veicolo sono previsti una serie di rinforzi interni alla carena per
garantirne una sufficiente integrità strutturale in caso di ribaltamento. È inoltre prevista la
realizzazione di un rollbar che, in caso di ribaltamento del velomobile, eviti il contatto tra la testa del
passeggero e il suolo.
3. CONCLUSIONI
Partendo dalla necessità di proporre nuove soluzioni per una mobilità a basso impatto ambientale si è
deciso di sviluppare un progetto di velomobile, mettendo insieme competenze in ambito
autoveicolistico e ciclistico e applicando metodi di progettazione propri dell’ingegneria. Oltre a
rivelarsi una piattaforma educativa stimolante e coinvolgente per gli studenti, il progetto ha permesso
di affrontare tematiche di ampio spettro, individuare potenziali sviluppi di ricerca e avviare contatti
internazionali con atenei che si stanno muovendo in direzione analoga [13].
Al momento della stesura della presente memoria la progettazione del veicolo è conclusa e il
velomobile è in fase di realizzazione; si sta infatti procedendo con la saldatura del telaio e della
forcella in dima, sono stati acquisiti la maggior parte dei componenti commerciali e si stanno
ultimando alcuni dettagli di progetto della carena, così da avviarne la produzione nel settembre 2013.
Al termine della realizzazione del velomobile è prevista una fase di collaudo su pista prima
dell’utilizzo su strada in un tour italiano di presentazione al pubblico, anche in vista di un futuro
possibile sbocco commerciale.
BIBLIOGRAFIA
[1] G. Genta, Meccanica dell’Autoveicolo, Levrotto & Bella (2000).
[2] A. Morelli, Progetto dell’Autoveicolo, Celid (1999).
[3] E. Zagatti, R. Zennaro, P. Pasqualetto, L’assetto dell’autoveicolo: sospensioni - pneumatici sterzatura - comportamento dinamico, Levrotto & Bella (1998).
[4] A.E. Fuhs, Hybrid vehicles: and the future of personal transportation , CRC Press (2008).
[5] P.K. Mallick, Materials, Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles, CRC Press (2010).
[6] D.G. Wilson, Bicycling Science - 3rd edition, MIT Press (2004).
[7] http://www.velomobiles.co.uk
[8] http://www.velomobile.it
[9] http://www.velomobile.info
[10] T. van Andel, “20 years of velomobile developments”, 7th International Velomobile Seminar,
Dronten, Netherland (2012).
[11] P. Baldissera, C. Delprete, “Applicabilità e adattabilità delle normative ciclistiche alle biciclette
reclinate”, 42° Convegno Nazionale AIAS, 11-14 settembre 2013, Salerno, memoria n. 166.
[12] A. Callens, A. Bignonnet, “Fatigue design of welded bicycle frames using a multiaxial criterion”,
Conference of the International Sports Engineering Association (ISEA), Procedia Engineering,
Vol. 34 (2012), pp. 640-645.
[13] Erasmus Intensive Programme “Powering the Future with Zero Emission and Human Powered
Vehicles”, http://www.ip-zev.gr