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PINARELLO DOGMA F8 WHITE PAPER 1.0
PINARELLO DOGMA F8
© Cicli Pinarello Spa - All rights reserved - April 2014
CONTENTS
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1. Introduzione - Background
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Collaborazione con il Team Sky e Jaguar
5
Obiettivi e metodo ingegneristico
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2. Progettazione strutturale - Introduzione al FEM
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Asimmetria del telaio
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Fibra di carbonio Torayca T1100 1K
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Pre Processing
12
Processing
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3. Progettazione aerodinamica - Introduzione al CFD
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Profili FlatBack
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Pre Processing
19
Processing
21
Post-processing e analisi dei risultati
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4. Progettazione finale
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DOGMA F8 highlights
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Prototipo in Rapid Prototyping
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5. Tests Strutturali
33
Test in galleria del vento
35
Test su strada
1. INTRODUZIONE
Background
La bicicletta è un veicolo terrestre azionato dalla forza muscolare delle gambe. Durante il suo moto, essa è
soggetta a differenti forze, che dipendono dalle condizioni esterne e si oppongono al moto. Queste sono la
resistenza al rotolamento, la componente della forza peso e la resistenza dell’aria. La prima dipende da molti
fattori che agiscono sul sistema ruota-strada. La seconda, come è noto, dipende dalla pendenza della strada,
così come dal peso della bici e del corridore. Infine, la terza dipende principalmente dalla “forma” del telaio e
dalla posizione assunta dal corridore, così come dalla velocità.
È quindi evidente che le principali caratteristiche di un telaio di bici da strada siano le seguenti: rigidità, peso e
aerodinamica.
La rigidità previene la perdita dell’energia generata dal corridore in inutili deformazioni del telaio, trasferendola
alla ruota posteriore. L’asimmetria, una famosa caratteristica di tutti i telai Pinarello, aumenta notevolmente la
rigidità complessiva del telaio: diverse sezioni tra i lati sinistro e destro consentono una risposta più equilibrata
alle forze agenti durante una corsa. Dal 2009 Pinarello ha studiato e implementato questo concetto sulle sue
bici, per offrire ad ogni corridore una bici il più equilibrata possibile.
La riduzione del peso porta benefici in ogni momento della corsa. È logico pensare che minore è il peso della
bici, minore è la forza che si oppone al moto durante una salita. Meno intuitivo, ma altrettanto importante,
è il fatto che un minor peso comporta una minor inerzia e quindi meno energia necessaria per accelerare o
rallentare la bici.
L’aerodinamica è ormai una qualità fondamentale da ricercare durante lo sviluppo di una bici: soprattutto sui
percorsi pianeggianti, date le velocità di corsa sempre maggiori, con medie superiori ai 40 km/h, la riduzione
della resistenza aerodinamica della bici gioca un ruolo fondamentale per preservare energia durante la gara.
Prince, Dogma 60.1, Dogma 2, Dogma 65.1 Think2, sono le bici che finora hanno percorso la strada dell’asimmetria e dell’aerodinamica, in un continuo processo di miglioramento.
PRINCE
DOGMA 60.1
DOGMA 2
DOGMA 65.1 T2
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Collaborazione con il Team Sky e Jaguar
Pinarello ha sostenuto Team Sky fin dalla sua fondazione nel 2009, fornendo le bici alla squadra. Questo ci
ha permesso di testare le nostre biciclette nelle gare più importanti di tutto il mondo e di raccogliere preziosi
feedback per migliorarle. Anche durante lo sviluppo del Dogma F8, c’è stata un’intensa collaborazione con il
team, scambiando informazioni e conoscenze.
Inoltre, in questo nuovo progetto, anche Jaguar si è unita a noi durante lo sviluppo, condividendo il loro design
innovativo e le loro tecnologie. In particolare hanno giocato un ruolo fondamentale nel processo di progettazione della bici attraverso avanzate analisi CFD e modellazione aerodinamica.
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Ci sono molti fattori da considerare quando si progetta una nuova bici, soprattutto se questa deve essere una
bicicletta completa. È molto importante individuare quali sono gli scopi del progetto, per seguirli durante lo
sviluppo e, alla fine, per verificare che la nuova bici li rispetti.
Il nostro obiettivo era migliorare le prestazioni strutturali e aerodinamiche della bici, mantenendo le nostre
tipiche guidabilità e feeling in corsa.
I quattro scopi all’inizio di questo nuovo progetto erano:
Mantenere la stessa guidabilità, per garantire lo stesso feeling del Dogma 65.1. Vogliamo permettere ad
ogni corridore di salire a bordo della nuova bici e sperimentare le migliorie, certo che essa si comporterà come
ogni altra bici Pinarello, agile e precisa in ogni curva. Così abbiamo usato la stessa serie sterzo conica della
Dogma 65.1 (cuscinetto superiore da 1” 1/8, cuscinetto inferiore da 1” 1/2) e le stesse geometrie: 13 misure
permettono ogni ciclista di trovare il telaio che meglio si adatta al suo corpo;
Aumentare la rigidezza della zona che trasferisce la potenza e l’assorbimento verticale, per evitare qualsiasi
spreco di energia e avere un comportamento più equilibrato della bici. Il trasferimento di potenza avviene
soprattutto attraverso il tubo di sterzo, il tubo obliquo, il movimento centrale e i foderi: una grande rigidità è necessaria in queste zone per ridurre gli sprechi di energia e aumentare il trasferimento di potenza tra il corridore
e la ruota posteriore. D’altro canto, se la “parte alta “ del telaio (foderi verticali e tubo sella) sono correttamente
progettati, essi possono facilmente assorbire le asperità del terreno, garantendo una guida più confortevole.
Abbiamo utilizzato un nuovo materiale e migliorato il concetto dell’asimmetria per ottenere questo risultato;
Ridurre la resistenza dell’aria, per ridurre ogni spreco di energia dovuto alla resistenza dell’aria. Abbiamo utilizzato nuove sezioni per i tubi e analizzato profondamente l’interazione di tutti i componenti, per ottimizzare
il flusso d’aria, lungo la bicicletta;
Ridurre il peso, per ridurre l’energia necessaria in un percorso misto o in salita. Inoltre, questo riduce anche
l’inerzia della bici, consentendo accelerazioni e frenate più rapide. L’uso di un nuovo materiale, l’ottimizzazione
delle sezioni dei tubi e un nuovo sviluppo del concetto di asimmetria ci hanno aiutano a raggiungere questo
scopo.
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Ognuna delle singole finalità sopra elencate è un gran miglioramento per una bici, ma quello che abbiamo
cercato è stato un miglioramento complessivo. Utilizzando analisi FEM e CFD e collaborando con il Team Sky
e Jaguar, abbiamo raggiunto tutti gli scopi di cui sopra, assicurando la migliore soluzione possibile.
Il metodo ingegneristico utilizzato durante la fase di progettazione era destinato a verificare ogni fase dello
sviluppo e può riassunto con lo schema qui sotto riportato. Questo approccio iterativo è stato utilizzato sia
per la progettazione strutturale, sia per quella aerodinamica.
Prima di tutto abbiamo analizzato le prestazioni di Dogma 65.1, fissando un punto di riferimento per ogni
verifica (l’abbiamo chiamato “Frame 0”); questa analisi ha inoltre messo in luce le zone più critiche da migliorare.
Di seguito abbiamo modellato e analizzato un primo prototipo (chiamato “Frame 1”), che già implementava
alcune nuove soluzioni. Dopo di che abbiamo modificato il “Frame 1”, applicando ogni volta una singola modifica, ed ottenendo molti differenti prototipi (“Frame 2 “, “Frame 3”, ..., “Frame n - 1 “); l’analisi di ogni singolo
prototipo ci ha mostrato i benefici di ogni modifica. Infine, dopo aver analizzato e confrontato tra le prestazioni
di molti prototipi, abbiamo fissato le caratteristiche che garantiscono il miglior compromesso; con queste
caratteristiche abbiamo progettato la versione finale del telaio (“Frame n”). Alla fine, abbiamo confrontato le
prestazioni di “Frame 0” e “Frame n”, verificando se gli scopi originali erano stati raggiunti.
Preliminary analysis
of current bike
“FRAME 0”
First prototype modelling
“FRAME 1”
First prototype modelling
analysis “FRAME 1”
Single change on
the prototype modelling
“FRAME 2”
Single change on
“FRAME 3”
Single change on
“FRAME 4”
Single change on
“FRAME 1”
Single change
performance analysis
“FRAME 2”
Single change
“FRAME 3”
Single change
“FRAME 4”
Single change
“FRAME 1”
Complete data
results
comparison
Final prototype
modeling
“FRAME N”
Final prototype
analysis
“FRAME N”
Results comparision and
original purposes check
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2. PROGETTAZIONE STRUTTURALE
Introduzione al FEM
Il FEM (Metodo degli Elementi Finiti) è un metodo per riprodurre, studiare e verificare virtualmente il comportamento di un oggetto reale quando è sottoposto a determinate forze.
Usando questa tecnica abbiamo potuto:
- creare e comparare molti diversi prototipi;
- ottimizzare la forma e le sezioni dei tubi, in relazione alla prestazione richiesta;
- ridurre il tempo ed i costi della fase progettuale, in quanto le performance possono essere verificate preliminarmente senza dover produrre prototipi reali.
Le caratteristiche strutturali di un telaio, la rigidezza ed il peso, dipendono innanzitutto dal materiale e dalla
forma.
Il materiale, impropriamente detto fibra di carbonio, è un materiale composito, in quanto è composto da fibre/
tessuti e da resina: le sue proprietà dipendono dalla qualità/tipo e dall’interazione di entrambi. I vantaggi di
questo materiale sono un elevato rapporto di rigidità su peso, nonché la possibilità di posizionare il materiale
secondo necessità; per esempio, le aree rinforzate sono il movimento centrale e sterzo, mentre altre zone
meno stressate hanno meno materiale.
D’altra parte, anche se spesso trascurata, la forma dei tubi ha un ruolo altrettanto importante. È noto che le
varie parti del telaio sono sottoposte a diverse sollecitazioni e devono garantire risposte differenti, a seconda
della posizione in cui si trovano; per esempio:
- la zona del trasferimento di potenza (tubo di sterzo, tubo obliquo, movimento centrale e foderi) deve essere
molto rigida per ridurre al minimo lo spreco di energia in inutili deformazioni e massimizzare il trasferimento di
potenza alla ruota posteriore ;
- la zona dei foderi e del tubo sella, se adeguatamente progettata, è in grado di assorbire le sollecitazioni del
terreno per offrire un maggiore comfort al corridore .
Il FEM ha permesso di analizzare diverse possibili soluzioni per la forma dei tubi, ottenendo la soluzione migliore per le nostre esigenze. Durante l’analisi il materiale reale non è stato simulato (l’analisi non ha considerato il
lay-up e le proprietà dei materiali reali), perché l’obiettivo era l’ottimizzazione della forma.
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Asimmetria del telaio
Ben conosciuta nel design Pinarello, l’asimmetria delle sezioni migliora la simmetria (il bilanciamento) in risposta
alle sollecitazioni.
La trasmissione di potenza dalle gambe del corridore al mozzo della ruota posteriore avviene attraverso i pedali e le pedivelle, la guarnitura, la catena e i pignoni. La maggior parte di questi componenti è posizionata sul
lato destro della bici, mentre la forza del corridore è applicata su entrambi i lati della bici.
Trascurando le differenze fisiologiche di spinta tra gamba destra e sinistra, possiamo supporre che un corridore spinga su entrambi i pedali con uguale forza. Considerando una lunghezza della pedivella tra 170 e 175 mm
e una corona di 53 denti, con formule semplici si può facilmente calcolare che la forza che agisce sulla catena
è circa il 60% maggiore della forza prodotta dal corridore.
Per fare un esempio, se la frequenza è di 1,5 Hz (90 pedalate al minuto) e la potenza espressa è di 250 W, la
forza che agisce sul pedale è di circa 150 N, quindi, la forza sulla catena è circa 240 N.
Quando si pedala a destra, queste due forze (spinta sul pedale e tiro della catena) agiscono contemporaneamente sul lato destro: il telaio si torce e il movimento centrale è spinto verso sinistra. Pedalando a sinistra, le
due forze agiscono in modo opposto sui due lati: il telaio flette, ma in modo meno evidente poiché le forze (e
quindi le deformazioni) sono opposte tra loro. È quindi chiaro quali siano le condizioni di carico asimmetriche
che il telaio deve contrastare. Progettare e realizzare un telaio con forme asimmetriche permette di contrastare meglio le sollecitazioni e garantisce un comportamento più equilibrato e simmetrico, assicurando migliori
prestazioni e una guida più sicura.
Le immagini che seguono mostrano come il telaio fletta durante la pedalata.
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Pedalata destra
Pedalata sinistra
Il concetto dell’asimmetria è stato adottato sulle nostre biciclette da lungo tempo, ma, durante lo sviluppo di
questo telaio, lo abbiamo nuovamente analizzato e migliorato. Fino al Dogma 65.1, l’asimmetria era intesa
sulle sezioni delle tubazioni: la metà destra della sezione era più grande di quello di sinistra. Le immagini sotto
mostrano 2 esempi di sezioni del tubo obliquo del Dogma 65.1, dove il lato destro è maggiore del lato sinistro.
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Con questa nuova bici abbiamo migliorato questo concetto, non solo modificando le sezioni, ma anche “spostando” i tubi del triangolo principale (tubo orizzontale, tubo obliquo e tubo verticale) verso il lato destro. Il FEM
ci mostra che questa soluzione aumenta ulteriormente la rigidità del telaio e garantisce un comportamento più
equilibrato. Le immagini sotto confrontano le sezioni del tubo obliquo del Dogma 65.1 (a sinistra) e Dogma F8
(a destra): è evidente che il tubo obliquo del Dogma F8 è spostato a destra.
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Fibra di carbonio Torayca T1100 1K
Prima di discutere circa il materiale, è essenziale chiarire alcuni concetti.
Innanzitutto il nome: comunemente viene chiamato “carbonio”, ma il nome corretto è “ materiale composito
“. Si tratta infatti di una composito di fibre di carbonio/tessuti e di resina, e tutte le sue proprietà dipendono
profondamente dalle proprietà delle fibre, dalle proprietà della resina, dal lay-up e dal metodo di produzione: se
una sola di queste caratteristiche cambia, il comportamento del materiale sarà decisamente diverso.
Le fibre possono essere utilizzate come semplici fasci o interlacciate in tessuti: questa scelta, tanto quanto il
lay-up (cioè la direzione delle fibre), influenza sia il metodo di produzione e le prestazioni. Le principali proprietà
delle fibre sono il Modulo elastico e la resistenza. Il modulo elastico, o modulo di Young, specifica la rigidità
del materiale: maggiore è questo valore, più rigido sarà il materiale. La resistenza specifica la quantità di forza
necessaria per romperlo: maggiore è questo valore, il più resistente sarà il materiale. Ad esempio, un nastro
di gomma ha alta resistenza e basso modulo di elasticità: è facilmente deformabile, ma difficile da rompere.
Al contrario, un fiammifero è molto rigido ma si rompe rapidamente se forzato: questo dimostra un elevato
modulo di elasticità ed una bassa resistenza.
Inoltre, una delle condizioni più pericolose per il materiale composito è quando è soggetto ad un impatto:
maggiore è la resistenza, migliore sarà la reazione a questa condizione.
D’altra parte, la resina assume il ruolo fondamentale di compattare le fibre, trasferendo i carichi.
Due importanti caratteristiche del materiale composito sono:
elevati rapporti di rigidità su peso (E/ρ) e di resistenza su peso (σ/ρ) rispetto ai materiali tradizionali:
la possibilità di rinforzare solo le zone maggiormente sollecitate, potendo così rimuovere inutile materiale dalle
zone meno sollecitate.
Il grafico sotto mostra le proprietà delle principali fibre Torayca:
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Le fibre ad alto modulo (area rossa) sono molto rigide, ma non sono così forti come le migliori fibre ad alta
resistenza. Le fibre ad alta resistenza (area verde) sono molto resistenti, ma non rigide come le fibre ad alto
modulo migliori. Quindi la scelta ottimale utilizza una miscela di fibre di carbonio diverse, a seconda di dove
queste siano utilizzate e delle prestazioni richieste.
Nel nostro Dogma F8 la migliore fibra utilizzata è la nuovissima T1100G, che ha la resistenza a trazione più
alta del mondo. Questa scelta contribuisce ad aumentare la resistenza agli impatti, per evitare rotture. Inoltre
usiamo fibre di T1100G preimpregnate con una nuova resina con tecnologia Nanoalloy, che contribuisce a
migliorare la resistenza all’urto.
Grazie all’utilizzo della fibra con più alto grado siamo stati in grado di ottenere un telaio più leggero mantenendo inalterata la sua resistenza. Le fibre di T1100G sono state utilizzate nelle zone più alte stressate, al fine di
sfruttare la incomparabile resistenza.
La perdita di rigidità dovuta a questo nuovo materiale è stato recuperata modificando la geometria del telaio
(soprattutto col nuovo concetto di asimmetria) e il lay up; le prove di laboratorio hanno confermato questa
soluzione.
Pre-processing
Come accennato, la prima analisi è stata effettuata sul telaio del Dogma 65.1; questo ha fornito un punto di
riferimento fisso per confrontare i dati successivi. Poi i risultati delle simulazioni successive sono stati confrontati con questo, valutando i benefici che ciascuna soluzione portava in termini di rigidità e peso.
Per valutare le prestazioni di ogni geometria (forma e sezioni dei tubi), trascurando la variabile del materiale,
abbiamo supposto che i telai siano stati realizzati con un materiale isotropo di spessore costante. Questa
semplificazione ha permesso, da un lato di accelerare le analisi, dall’altro di confrontare le prestazioni reali di
ogni geometria.
I carichi ed i vincoli applicati sono stati ricavati dalla normativa EN 14781 - Racing bicycles - Safety requirements and test methods (2006).
Le condizioni di carico corrispondevano a diversi angoli di pedivella, e altre condizioni, come ad esempio un
carico verticale sulla sella.
In aggiunta, anche la forcella è stata analizzata, simulando i carichi longitudinali o laterali.
Processing
Le analisi sono state eseguite in 2 fasi:
analisi preliminare, in cui solo i tubi sono stati modellati, omettendo le zone di giunzione. Questa analisi,
seppur molto semplificata, ha permesso da un lato una valutazione preliminare delle prestazioni dei diversi
modelli, fornendo dati per le successive analisi, e dall’altro di ridurre i tempi di modellazione e analisi. Questa
semplificazione permette anche di analizzare profondamente l’influenza della asimmetria sulle prestazioni;
infatti, omettendo le zone di giunzione, è facile modellare molti prototipi differenti con i tubi spostati verso
destra, confrontando le prestazioni e raggiungendo il miglior compromesso.
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analisi avanzata, in cui i telai sono stati completamente modellati (ad eccezione delle forcellini posteriori), per
avere una valutazione completa della performance. Queste analisi sono state eseguite una volta che le principali caratteristiche della bici erano state decise, per confrontare le prestazioni reali dei diversi telai.
In totale abbiamo testato 35 differenti soluzioni possibili, con oltre 200 singole simulazioni FEM eseguite.
Post-processing e analisi dei risultati
I risultati di ogni analisi sono stati confrontati con gli altri, valutando il comportamento in termini di distribuzione
delle tensioni e spostamento di alcuni punti di riferimento.
Per confrontare i risultati, valutando la rigidità e il comportamento simmetrico, si definiscono due diversi indici:
flessione totale, intesa come la somma degli spostamenti del movimento centrale per la pedalata destra e
sinistra. Minore è questo valore, maggiore sarà rigidità del telaio;
flessione media, intesa come la differenza degli spostamenti del movimento centrale per la pedalata destra e
sinistra. Minore è questo valore, il più equilibrato sarà il telaio.
L’esempio qui sotto spiega meglio questi indici e come li abbiamo utilizzati durante la progettazione.
Consideriamo 3 telai:
“Frame A”
“Frame B” simile alla precedente ma col tubo verticale e il tubo obliquo ruotati di 5 mm vicino al movimento e
il tubo orizzontale ruotato di 10 mm verso destra
“Frame B2” uguale a “Frame B” ma con uno spessore inferiore del 3%.
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I grafici precedenti mostrano che il telaio B è più rigido del telaio A, perché ha una flessione totale è inferiore;
al contrario ha una flessione media superiore, il che significa che è meno bilanciato. Il telaio B2 ha invece una
flessione totale di poco inferiore telaio A (cioè la rigidità è simile), e una flessione media inferiore, il che significa
che è anche più equilibrata; inoltre, poiché lo spessore della parete è il 3% più sottile, è anche più leggero.
Oltre ai dati numerici, le prestazioni dei telai sono state confrontate attraverso visualizzazioni e animazioni. Qui
sotto un esempio degli spostamenti in condizioni pedalata destra.
Sotto un esempio della distribuzione delle tensioni nella condizione di carico verticale sulla sella. È chiaro che gli
stress sono meglio distribuiti sul Dogma F8 ed inoltre il picco di tensioni è inferiore.
Il confronto finale tra Dogma 65.1 e Dogma F8 mostra che Dogma F8 è del 12% più rigida e il 16% più equilibrata, pur senza l’apporto di materiale. Questi sono i risultati del confronto al FEM, e pertanto, dipendono
solo dalla forma dei telai.
Questi guadagni teorici sono stati usati per aumentare la rigidità e ridurre il peso del telaio reale.
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3. Progettazione aerodinamica
Introduzione al CFD
Quando si corre su percorsi pianeggianti, circa l’80 % dell’energia espressa dal corridore è usata per superare
la resistenza aerodinamica che si oppone al moto. Di questa resistenza, il corridore influisce per circa il 75 %,
il telaio e la forcella per circa il 15 %, mentre il restante 10 % dipende dagli altri componenti (ruote, manubrio,
ecc.). È quindi evidente che ottimizzare il telaio e la forcella da un punto di vista aerodinamico riduce l’energia
spesa dal corridore.
La resistenza aerodinamica è una forza, sempre opposta al moto, che può essere calcolata mediante la seguente relazione:
Fd = ρ v2 Cd A
dove ρ è la densità dell’aria, A l’area frontale della bici e del corridore, Cd un coefficiente che dipende dalla forma
e dalla posizione di bici e corridore. Una volta fissati i parametri (A e Cd dipendono dalla bici e dal corridore),
la resistenza aerodinamica dipende dal quadrato della velocità. Quando si corre su un percorso pianeggiante
(dove la forza peso è trascurabile), e le velocità medie sono alte, questa è la forza principale da contrastare.
Una corretta progettazione del telaio permette di ridurre l’area frontale A e il coefficiente Cd, per minimizzare
questa forza resistente, riducendo l’energia spesa e migliorare le prestazioni finali.
La Computational Fluid Dynamics, di solito abbreviata in CFD, è una branca della meccanica dei fluidi che usa
metodi numerici e algoritmi per risolvere e analizzare i problemi che coinvolgono flussi di fluido. Utilizzando
il software CFD durante la fase di progettazione abbiamo potuto analizzare le prestazioni aerodinamiche di
soluzioni diverse, per evidenziare le zone che creano maggior resistenza e verificare la componente di ogni singola zona e componente (tubo obliquo, tubo orizzontale, ..., freni, manubrio, ecc.) sulla resistenza complessiva.
Ciò fornisce una bici con una ridotta resistenza aerodinamica.
La funzione peso
Prima di iniziare l’analisi CFD abbiamo dovuto definire una funzione peso per confrontare correttamente e
analizzare tutti i risultati.
Per definire la funzione peso abbiamo iniziato a raccogliere dati sul vento. Sia la direzione del vento, sia la strada percorsa possono essere considerate casuali. Il nostro studio si è concentrato sulle mappe del vento e sui
dati raccolti da 78 stazioni meteo per 10 anni. Questi database contengono informazioni sulla velocità media
dei venti in alta quota (20 ÷ 50 m); per rendere questi valori utili ai nostri studi, essi sono stati ricalcolati come
se fossero misurati a 1 m dal suolo. Una volta nota la distribuzione delle velocità al suolo, si è proceduto a determinare la distribuzione degli angoli di imbardata (yaw), cioè abbiamo calcolato la funzione peso. Definiamo
ora alcuni valori relativi alle velocità che agiscono sul corridore:
Vr è la velocità del corridore;
Vw è la velocità del vento;
Vin (velocità di ingresso) è la velocità “apparente” data dalla somma delle due precedenti;
αw è l’angolo tra la direzione del vento e la direzione del corridore;
αy è l’angolo di imbardata, tra la velocità apparente e la direzione del corridore.
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Utilizzando alcune relazioni vettoriali, abbiamo ottenuto come αy dipenda dagli altri valori. Fissata Vr = 14 m/s
(50,4 km/h), abbiamo integrato la funzione per αw = 0° ÷ 180° e Vw = 0 ÷ 20 m/s, ottenendo la distribuzione
degli angoli di imbardata. Questa non è la probabilità che il vento soffi in una certa direzione (come detto in
precedenza, questo è da considerarsi casuale), ma la probabilità che, una volta specificata la velocità del ciclista
e la velocità del vento, il corridore sia investito da uno specifico vento apparente.
I singoli valori di αy relativi ad ogni velocità Vw (per αw = 0° ÷ 180°) sono stati moltiplicati per il peso/probabilità
della velocità Vw e sommati a tutti quelli delle altre velocità. I valori ottenuti sono poi “raggruppati” all’interno
di intervalli specifici di angoli αy. La percentuale dei valori che sono in un intervallo specifico di αy (per esempio
tra 0° e 4°) dà il peso/probabilità di ogni angolo di imbardata.
La tabella seguente mostra la distribuzione degli angoli di imbardata che abbiamo calcolato.
La funzione di peso ci ha dato l’opportunità di concentrare tutte le prestazioni della bici in un singolo numero
che rappresenta l’intero campo di moto.
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Profili FlatBack
Durante la fase di progettazione delle nuove sezioni dei tubi del telaio era essenziale utilizzare profili che minimizzassero la resistenza aerodinamica, pur mantenendo la rigidità necessaria.
Per garantire la necessaria rigidità il tubo dovrebbe avere una specifica larghezza L (ad esempio, per il tubo
obliquo, possiamo supporla vicino a 40 mm).
Su un buon profilo aerodinamico (come un’ala di aereo) il rapporto tra l’altezza H e la lunghezza L è almeno di
8 a 1; in questo caso, per esempio, l’altezza dovrebbe essere almeno di 320 mm).
Il regolamento UCI, tuttavia, impone che il massimo rapporto tra queste due dimensioni sia 3 a 1.
La prima ipotesi è dunque “schiacciare” il profilo riducendone l’altezza (la larghezza L rimane fissa per preservare la rigidità): questa soluzione, però, annulla completamente le proprietà del profilo peggiorandone drasticamente l’aerodinamica. Questo cambiamento infatti è tale da rendere il profilo tozzo, causando un distacco
anticipato del flusso e una grande resistenza.
Inoltre, oltre alla regola del 3 a 1, l’UCI impone anche che la dimensione massima per il tubo sia di 80 mm.
L’alternativa quindi, anziché “schiacciare” il profilo, è quella di “tagliarlo” alla lunghezza corretta tenendo solo la
parte anteriore. Questa soluzione, anche se fornisce prestazioni ridotte rispetto al profilo alare originale, fornisce una aerodinamicità molto meglio di quella ottenuta nell’ipotesi di “schiacciare” la sezione.
Aero Tube 8:1
Oval 3:1
FlatBack™
In base ai precedenti concetti, abbiamo usato i profili Flatback come sezioni per i nuovi tubi. Questa scelta garantisce sezioni che, da un lato assicurano la necessaria rigidezza (abbiamo mantenuto la larghezza richiesta)
e dall’altro consentono buone prestazioni aerodinamiche.
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Pre-processing
Prima di eseguire le analisi CFD, abbiamo preparato i modelli. Prima di tutto, abbiamo identificato diverse parti
del telaio, come il tubo orizzontale, il tubo obliquo, ecc., e tutti gli altri componenti (freni, manubrio, ecc.). Poi
abbiamo applicato una mesh di superficie in ogni singola zona. Le immagini sotto mostrano rispettivamente
le diverse zone del telaio analizzate e un esempio della mesh.
Tutti i componenti sono stati poi assemblati e il dominio attorno alla bici discretizzato con circa 50 milioni di
celle del fluido. Le aree intorno alla bici sono state maggiormente raffinate.
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Processing
Abbiamo testato molti modelli differenti. Il primo ad essere analizzato è stato il Dogma 65.1, visibile qui sotto.
Poi abbiamo modellato d analizzato una prima versione della nuova bici, che includeva alcune nuove soluzioni
possibili.
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Abbiamo continuato modellando altri 25 modelli simili, ciascuno diverso in una singola modifica, per distinguere i benefici che ogni singola soluzione comportava. Qui di seguito due esempi di modelli differenti, uno
concentrato sull’intersezione tra il tubo verticale e i pendenti, l’altro con sezioni più grandi sul tubo obliquo per
accogliere meglio la borraccia.
Queste analisi ci hanno permesso di valutare l’influenza di ogni singola parte sulla resistenza complessiva, e di
trovare la migliore soluzione possibile. In parallelo, abbiamo eseguito un processo di ottimizzazione per il tubo
verticale. Utilizzando un ottimizzatore parametrico, abbiamo fissato alcuni parametri sulla sezione del tubo in
3 punti. Il software ha modificato automaticamente le sezioni del tubo, cercando la forma che minimizzasse la
resistenza. Qui di seguito alcune immagini di questi processo.
Abbiamo effettuato più di 300 singole analisi CFD in totale. Questo ha genera un elevato numero di dati, che
hanno dovuto essere mediati nel tempo prima della elaborazione finale.
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Post-Processing & Results
Il risultato di questo processo di analisi è stato riassunto ed analizzato in due modi: con alcuni grafici comparativi e con una serie di immagini e animazioni che mostrano concretamente l’interazione tra bici e corridore
ed il flusso d’aria. Le tabelle elencano i valori numerici della resistenza su ogni componente e permettono di
identificare il “peso” di ogni parte della bici e l’influenza di ogni modifica apportata al modello iniziale. I valori
di resistenza sono stati misurati sia sui componenti della bicicletta (telaio, forcella, manubrio, ecc.), sia sulle
singole parti del telaio (tubo orizzontale, tubo verticale, tubo obliquo, ecc.). Così abbiamo individuato le aree più
critiche e i benefici che ogni soluzione ha prodotto sulla bici. Di seguito un esempio di una tabella riepilogativa.
In aggiunta, abbiamo messo a confronto i risultati attraverso immagini che mostrano il flusso d’aria intorno al
telaio. Qui di seguito alcuni esempi. Il colore rosso indica le zone ad alta pressione; il colore blu le zone a bassa
pressione, che sono turbolente e creano resistenza. La nuova forma della sezione utilizzata nella forcella genera una zona di bassa pressione minore, riducendo la resistenza.
DOGMA 65.1
DOGMA F8
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Lo stesso vale per la zona del freno posteriore. Le seguenti immagini mostrano come l’aria scorra in quella
zona, e se si creano vortici e turbolenze. Come è visibile, l’intersezione dei foderi verticali e del tubo verticale sul
Dogma F8 è in una posizione inferiore: ciò riduce lo spazio permettendo un migliore flusso d’aria.
DOGMA 65.1
DOGMA F8
I risultati generali possono essere riassunti con il seguente grafico che mette a confronto in modo chiaro il
Dogma 65.1 (linea blu) e il Dogma F8 (linea rossa): esso mostra come lo sviluppo della resistenza lungo il telaio.
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Mentre si corre in bicicletta, l’aria interagisce in primo luogo con la forcella. Osservando il grafico, per circa metà
lunghezza degli steli della forcella, l’originale Dogma 65.1 non vede alcuna resistenza dell’aria.
Il Dogma F8 va un passo oltre: grazie alle sezioni aerodinamiche utilizzate, derivate da quelle del Bolide, la
forcella F8 agisce come una vela che tira in avanti la bicicletta in condizioni di vento laterale. Questo effetto è
amplificato quando si corre in condizioni di vento forte. Per secoli il vento è stato un’inevitabile resistenza che
aumenta la fatica del corridore e ostacola le prestazioni. Incontrandolo con il Dogma F8 i ciclisti saranno ora in
grado di sfruttarlo.
Poi, finché l’aria ha percorso metà strada lungo il telaio del Dogma F8 non si misura alcuna resistenza. Essa
aumenta nei pressi delle borracce per entrambi i telai, tuttavia quando la resistenza del Dogma 65.1 continua
a crescere dopo questo punto, la resistenza diminuisce quando l’aria colpisce il tubo verticale del Dogma F8,
per via delle sue sezioni trasversali appositamente disegnate.
Dopo aver oltrepassato i freni posteriori, la forma piatta del grafico mostra che la F8 non genera ulteriore resistenza al flusso d’aria. Questo dimostra che le sezioni posteriori dei foderi e dei pendenti sono effettivamente
invisibili alla resistenza.
Le proprietà aerodinamiche della F8 possono essere pienamente apprezzate solo quando si confrontano con
quelle del Dogma 65.1, una bici già due volte vincitrice del Tour de France e la preferita di molti professionisti.
Infine, abbiamo confrontato il rendimento aerodinamico del Dogma 65.1 e Dogma F8, per verificare se gli
scopi iniziali fossero stati raggiunti.
WHAT
DOGMA F8 change (N)
DOGMA F8 change (%)
Bike only
Bike and Rider
-2.09
-1.77
-17.5%
-4.9%
Frame
Fork
Frame & Fork
-1.24
-0.45
-1.69
-45%
-54%
-47%
I risultati del CFD mostrano una riduzione della resistenza dell’aria del 17,5% sulla bici completa e prossima al
5% considerando bici e corridore. Se si guarda solo il telaio e la forcella, il nuovo Dogma F8 è circa il 47 % più
aerodinamico del Dogma 65.1.
23
4. Progettazione finale
Soluzione globale
Tutti i risultati ottenuti durante le analisi evidenziano molte possibili soluzioni in grado di migliorare le prestazioni della bici. Prima di procedere con la progettazione definitiva, abbiamo dovuto trovare il miglior compromesso tra diverse opportunità, in relazione agli scopi iniziali che ci eravamo prefissati. Ad esempio, alcune
soluzioni avrebbero sicuramente migliorato l’aerodinamica ma, allo stesso tempo, avrebbero aumentato il
peso. L’obiettivo principale del progetto è stato realizzare una bici che migliorasse tutti gli aspetti importanti,
ottenendo una soluzione globale. Questo per offrire ogni corridore la miglior bici possibile in ogni condizione e
di ogni percorso che affronterà.
Made4you
Ogni corridore è diverso ed unico, per via del suo corpo: qualcuno è più alto, qualcun altro più basso, qualcuno
ha le gambe lunghe, ecc. Per questo motivo produciamo le bici in 13 diverse taglie, per accogliere adeguatamente ogni corridore sulla sua bicicletta. D’altra parte Pinarello vuole garantire ad ogni corridore che la bici
mantenga le stesse prestazioni, indipendentemente dalla sua dimensione.
Per questo motivo, come fatto anche sulle precedenti bici, abbiamo applicato il concetto “Made4you” al nuovo
Dogma F8.
Ogni singola taglia del telaio è stata progettata e realizzata specificatamente: le misure più grandi sono rinforzate e sagomate in modo da sopportare le sollecitazioni più elevate; le taglie più piccole possono essere
realizzate utilizzando meno materiale, con un risparmio di peso.
Questo permette ad ogni corridore di guidare la propria Pinarello con le sue sensazioni e prestazioni.
Nuove soluzioni
I ragionamenti fatti finora ci hanno portato a definire le caratteristiche finali ed innovative che abbiamo implementato sul Dogma F8.
In primo luogo, da un punto di vista strutturale, il concetto di asimmetria è stato evoluto: non abbiamo solo
aumentato il lato destro delle sezioni dei tubi come fatto per le bici precedenti, ma abbiamo anche girato i tubi
principali verso destra, con grande miglioramento della rigidità e del bilanciamento.
Poi, per quanto riguarda l’aerodinamica, l’ottimizzazione delle sezioni dei tubi e l’interazione tra tutti i componenti è diventata essenziale per poter sfruttare il vento laterale, riducendo notevolmente la resistenza totale
dell’aria. Questi sono solo i principali concetti implementati, ma molte sono le caratteristiche innovative che
caratterizzano la Dogma F8.
24
DOGMA F8 highlights
Tubo verticale e tubo obliquo
sono profondamente asimmetrici, sia per la sezione sia per la
posizione, per dare una bici più
rigida e più equilibrata.
Tubo orizzontale asimmetrico.
Triangolo posteriore
asimmetrico per aumentare la rigidità laterale.
Nuovi profili “ONDA F8”,
evoluzione dell’Onda2, per
aumentare l’assorbimento
delle asperità ed il comfort.
Zone a bassa pressione
25
DOGMA F8 highlights
Pendenti incurvati per aumentare l’assorbimento verticale.
Bloccaggio sella integrato TwinForce che migliora l’aerodinamica e riduce il peso, assicurando nel contempo
grandi capacità di serraggio.
Freno posteriore nascosto al flusso d’aria grazie alla
forma dei foderi verticali: poiché il freno è asimmetrico,
così anche i foderi posteriori verticali sono asimmetrici.
La forcella è studiata per riprendere la forma del freno
anteriore, in modo da proteggerlo dal flusso d’aria.
Nuovi profili aerodinamici ottimizzati utilizzati sulla forcella, derivati da quelli utilizzati per la Bolide.
26
DOGMA F8 highlights
Profili FlatBack che garantiscono il miglior compromesso tra aerodinamica e
rigidità.
Nuovo reggisella, con riduzione della
resistenza aerodinamica e del peso.
Tubo di sterzo molto affusolato, che
migliora le prestazioni aerodinamiche.
Tubo di sterzo spostato in avanti per
consentire una forma più aerodinamica.
27
DOGMA F8 highlights
Tubo obliquo sagomato per
nascondere la borraccia dal
flusso d’aria.
Tubo di sterzo spostato in avanti per consentire una forma più aerodinamica
2 posizioni per il porta borraccia sul tubo
verticale: la più bassa migliora l’aerodinamica, la più alta migliora l’accessibilità
e il comfort.
Uscita del cavo cambio dietro al forcellino, per miglioraa bassa pressione
re l’aerodinamica eZone
l’estetica.
28
DOGMA F8 highlights
Forcellini in carbonio,
sia per forcella e telaio,
per ridurre il peso.
La tecnologia Think2 per consentire un
rapido cambio tra i gruppi meccanici ed
elettronici.
Movimento centrale a filetto italiano,
sinonimo di rigidità e prestazioni di
lunga durata.
Supporto del deragliatore anteriore
rimovibile, per facilità di manutenzione e peso ridotto in caso di percorso
pianeggiante.
29
DOGMA F8 highlights
Batterie per i gruppi elettronici alloggiate
all’interno del tubo verticale e del reggisella, rispettivamente per Campagnolo e
Shimano.
La parte alta del tubo sterzo assicura lo spazio
necessario per i controller dei gruppi elettronici.
30
Prototipo in Rapid Prototyping
Una volta che sono state definite le caratteristiche principali del modello CAD, prima di procedere con la produzione degli stampi, abbiamo prodotto un modello in Rapid Prototyping.
La prototipazione rapida è un insieme di tecniche utilizzate per fabbricare rapidamente un modello in scala di
una parte fisica o di un insieme utilizzando disegni CAD 3D. La costruzione della parte o dell’assieme di solito
è fatta usando la stampa 3D.
Abbiamo realizzato un esempio in scala reale. Questo ci ha consentito, da un lato, di valutare le dimensioni
reali, la qualità delle superfici e l’estetica del telaio, dall’altro, di verificare il montaggio completo della bicicletta
e dei componenti.
Infine, utilizzando questo prototipo RP, abbiamo facilmente potuto definire alcuni dettagli, altrimenti difficili
da verificare durante la progettazione, come ad esempio la posizione dei fori per il passaggio interno dei cavi.
31
5. Tests
Test strutturali
Una volta che sono stati prodotti i primi campioni, li abbiamo testati nel nostro laboratorio per valutare le prestazioni reali e verificare i risultati ottenuti durante la fase di progettazione.
Abbiamo effettuato molti test differenti in condizioni simili a quelle di una reale corsa su strada.
Peso: sono stati pesati sia i telai che le forcelle, per verificare il miglioramento dato dal materiale e
dalla nuova forma;
Rigidità: abbiamo effettuato prove statiche e di fatica, simulando le condizioni di carico che di solito
occorrono durante la corsa. Ognuna delle prove di fatica eseguite sforzava il telaio per più di 100000
cicli, simulando condizioni di pedalata, di frenata, di carico verticale, ecc.;
Resistenza: abbiamo testato se telai e forcelle resistono agli urti senza alcun danno. In particolare,
li abbiamo testati con il test di “massa cadente” (22,5 kg di massa che cadono sulla forcella e sul
telaio) e con il test di “telaio in caduta” (telaio e la forcella, caricati con 70 kg sul tubo sella e fissati
sul mozzo posteriore, ruotano e impattano il terreno col mozzo anteriore).
Questi test, da un lato quantificano numericamente le prestazioni
della nuova bici, per paragonarla
alla precedente, dall’altro lato verificano la sicurezza della bici.
I risultati dei test sono stati confrontati anche con i risultati FEM,
per verificarli e convalidarli.
Dal confronto tra Dogma F8 e
Dogma 65.1 i risultati mostrano
grandi miglioramenti in ogni condizione; la tabella seguente conferma alcuni di questi.
Frame Only
Weight (gr.)
total deflection
(mm)
average
deflection (mm)
32
Dogma F8 compared to Dogma 65.1
-80
-9,1%
-1.34
-28,1%
-1.98
-47,3%
I risultati sopra elencati sono relativi alla taglia 54. La flessione totale
e la flessione media sono gli stessi
indici utilizzati per valutare i risultati
del FEM: il primo contraddistingue
la rigidità, la seconda il bilanciamento del telaio.
Il telaio Dogma F8 è il 9% più leggero, il 28% più rigido e il 47% in
più equilibrato rispetto al telaio
Dogma 65.1; questi guadagni sono
il risultato del nuovo materiale e
della nuova forma adottata.
Rispetto ai risultati FEM, essi sono
leggermente diversi: questi infatti
sono i risultati dei test reali, perciò
dipendono dalla forma e dal materiale. In ogni caso, sia il FEM che i
risultati dei test di laboratorio mostrano un andamento simile e grande miglioramento complessivo.
Test in galleria del vento
Abbiamo anche testato le prestazioni aerodinamiche della bicicletta reale attraverso test in galleria
del vento. Questo ci permette di validare i risultati del CFD e confrontare bici diverse.
Per confrontare con precisione questi risultati con il CFD, tutte le bici testate avevano gli stessi componenti di quella usata per il CFD. Inoltre le abbiamo testate utilizzando sia un manichino 3D come
quello utilizzato per il CFD sia un corridore reale.
Abbiamo eseguito test a 2°, 10° e 18° di angolo di imbardata, misurando la resistenza generata dalla bicicletta e dal manichino/corridore; in seguito i risultati sono stati ricalcolati attraverso la funzione
peso. Abbiamo testato tre diverse bici ed i risultati sono riassunti qui sotto:
Yaw Angle
DOGMA
65.1
DOGMA K
2015
-2°
-12,9%
-11,6%
-10°
-24,1%
-21,1%
-18°
-45,2%
-30,8%
Weigh.Avg.
-26,1%
-20,0%
La tabella precedente elenca la variazione percentuale della resistenza generata dal Dogma F8 rispetto ad altre bici Pinarello (questi risultati sono relative test con la sola bici). Considerando il valore
medio, ottenuto attraverso la funzione peso, il nuovo Dogma F8 è il 26% più aerodinamico del Dogma 65.1 ed il 20% in più aerodinamico del Dogma K 2015.
Il grafico precedente, che mostra la resistenza a diversi angoli di imbardata, evidenzia un fenomeno
interessante: sia per il Dogma 65.1, sia per il Dogma K 2015, man mano che l’angolo di imbardata
aumenta, così la resistenza aumenta; questo è ciò che accade di solito con qualsiasi bici. Con il nuovo
Dogma F8 invece, via via che l’angolo aumenta, la resistenza diminuisce: questo significa che in condizioni di vento laterale il telaio sfrutta il vento piuttosto che soffrirlo. Questa è un’ulteriore convalida
dei risultati del CFD.
33
Variazione percentuale tra Dogma 65.1 e Dogma F8
Complete Bike only
Complete Bike and mannequin
Yaw Angle
CFD
WIND TUNNEL
CDF
WIND TUNNEL
-2°
-12,3%
-12,9%
-4,6%
-4,2%
-10°
-19,8%
-24,1%
-6,6%
-7,1%
-18°
-19,4%
-45,2%
-6,5%
-8,9%
Weigh.Avg.
-17,5%
-26,1%
-4,9%
-6,4%
La tabella precedente mette a confronto le variazioni percentuali tra il Dogma 65.1 e il Dogma
F8 ottenute attraverso il CFD e i test in galleria del vento. Sembra che i risultati tra questi due
test siano differenti: questo dipende dalla differenza concettuale tra le prove. Il CFD è infatti un
utile strumento di sviluppo; permette al progettista di verificare passo per passo come procede
il progetto. La galleria del vento è molto più vicina alla realtà ed analizza come la bici funzionerà
nel mondo reale. Un semplice confronto numerico è errato perché i test sono profondamente
diversi: l’importante è che i risultati mostrino un andamento simile, assicurando grandi miglioramenti, così come è.
34
Test su strada
Contemporaneamente ai precedenti abbiamo eseguito i test più importanti e veritieri possibili: le
prove su strada. Queste prove verificano le prestazioni della bici nelle condizioni reali, assicurando
risultati sinceri. Corridori professionisti, come Chris Froome, hanno testato la bici riportando ottime
sensazioni e feedback.
35
Cicli Pinarello SpA
Viale della Repubblica 12
31020 Villorba (TV) Italy
tel. +39 0422 420877 fax +39 0422 421816
[email protected]
www.pinarello.com
36

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