Torino 22 gennaio 2021
Sedile leggero
Pur nella consapevolezza che il peso su di una bicicletta, entro certi limiti e per utilizzi amatoriali, ha impatti tali per cui una sua riduzione porta a vantaggi abbastanza contenuti in termini prestazionali, il tentativo di definire meglio dove utilizzare consapevolmente il materiale (peso) non è del tutto inutile.
Infatti, il dimensionamento dei componenti autocostruiti, se basato sulla definizione dei carichi a cui sono soggetti, può evitare errate interpretazioni delle esigenze delle strutture in termini di sollecitazioni e deformazioni. All’atto pratico: mettere il materiale dove serve e non metterlo dove non sarebbe utile se non ad aumentare il peso.
La ricaduta di questo approccio è, in estrema sintesi, un risultato “migliore”.
Ci sono ormai molti strumenti che permettono di dimensionare “a ragion veduta” gli elementi meccanici. Ma questi strumenti partono dal presupposto di conoscere le ragionevoli sollecitazioni a cui l’elemento è soggetto; quindi prima di tutto è necessario definire i carichi, basandosi sul ragionamento e/o misure e/o indicazioni di eventuali normative. Una competenza ingegneristica di base è sicuramente di aiuto, anche se molte considerazioni alla base di questo approccio sono da considerarsi prima di tutto “di buon senso”.
L’esempio che segue è relativo alla progettazione di un sedile “leggero” per una reclinata.
Nel corso della (lunga) gestazione del progetto “MyRev”, ad un certo punto avevo ipotizzato un sedile basato su alcune realizzazioni lignee:
Sicuramente le realizzazioni lignee originali non si possono considerare “leggere”, mirando più che altro ad un approccio realizzativo abbordabile da tutti sia come materiali che come che come attrezzature.
Qui di seguito il concept virtuale sviluppato all’epoca:
Dopo aver sviscerato pro e contro di questa soluzione, la scelta finale era andata nella direzione di utilizzare un sedile in carbonio “tradizionale” che avevo a disposizione.
Il sedile montato oggi sulla MyRev è in effetti molto leggero (550 g) ed ha delle caratteristiche strutturali tali da non richiedere molti appoggi / attacchi al telaio.
Ma il totale del peso dedicato alla funzione “seduta” è in effetti quello che conta!
Di seguito la distribuzione pesi della funzione “seduta”:
Alla ricerca di una soluzione più leggera, la prima scelta da fare è legata alla possibilità o meno di regolare il sedile (in avanti / indietro, alto / basso, inclinazione).
E’ evidente che l’integrazione della funzione “seduta” insieme ad altri elementi della bici ha i suoi pro in termini di eliminazione di alcuni elementi ed alleggerimento in generale, ma paga lo scotto di vincolare il sedile in un'unica posizione fissa.
Questo aspetto può non avere una importanza enorme se si sta realizzando un mezzo ritagliato per una sola persona, possibilmente basandosi su misure e geometrie già sperimentate; in altre parole se si deve fare una copia “migliore” di qualcosa di già sperimentato con esito positivo.
In questo primo studio l’ipotesi rimane ancora quella di avere un sedile separato, quindi regolabile, quindi non integrato. Questa soluzione permetterà anche il retrofit sulla bici attuale o l’impiego su bici con un approccio simile (sedile non integrato).
Tornando quindi alla soluzione già proposta prima:
Un primo elemento su cui lavorare è la nervatura verticale su cui si appoggerà poi la vera e propria seduta.
E’ l’elemento che garantisce la resistenza al peso del ciclista, alla reazione alla spinta sui pedali e consente il collegamento al resto della bici.
In termini di riduzione pesi, è quindi da affinare il progetto di questo elemento sia dal punto di vista strutturale che ricercando eventuali integrazioni. Ad esempio, il collegamento in basso potrebbe essere integrato, eliminando una staffa in alluminio dal peso di 77 g ed alcune viti e dadi ~65 g, per un totale di ~140 g.
Il disegno sotto rappresenta il profilo di partenza dato in pasto al sw di ottimizzazione topologica. I carichi nelle varie zone del profilo superiore (dove il ciclista si appoggia con sedere, schiena e spalle) sono applicati come “pressioni” distribuite nelle 5 zone di carico (distinguibili dai piccoli “gradini” utilizzati come stratagemma per separare le zone di carico).
Ovviamente i carichi maggiori sono stati attribuiti nella porzione in cui si appoggia il sedere del ciclista ed in quella in cui la parte alta della schiena punta per contrastare la forza di pedalata.
La sagoma è poi stata vincolata come il sedile reale: una cerniera sotto la seduta ed un appoggio dietro alla parte alta della schiena.
Il risultato dell’ottimizzazione strutturale porta ad un suggerimento “grezzo” di dove è possibile togliere il materiale.
Partendo da questa proposta, è possibile rifinire il disegno del particolare finale.
Le immagini seguenti evidenziano la proposta “grezza” dell’ottimizzatore e la soluzione rifinita in confronto con la sagoma di partenza.
Questa la nervatura verticale alleggerita ed adeguata a resistere al carico.
Materiale posizionato dove serve. Si tratta di una struttura reticolare e questa non è una sorpresa. Ma la disposizione delle nervature non è dettata da una qualsivoglia ripetizione geometrica, bensì da una valutazione di calcolo conseguente ai carichi applicati.
Per inciso: il peso finale è l’80% in meno della sagoma di partenza.
Affiancando 2 profili, distanziandoli della larghezza del telaio nella zona di attacco inferiore, ecco come si presenterebbero:
A questo punto si tratta di definire la tecnica costruttiva da utilizzare per la costruzione reale dei profili.
A questo riguardo vorrei considerare seriamente la tecnica del “filament-winding” che ultimamente si sta prendendo in considerazione su vari manufatti industriali.
Un manufatto in “filament-winding” è sostanzialmente ottenuto avvolgendo un filamento in carbonio attorno ad un modello. Il modello può essere mantenuto all'interno del manufatto originale (avendo normalmente una minima funzione strutturale, come ad esempio quella di evitare che le fibre si allontanino dalla loro configurazione iniziale, fino a rompersi) oppure può essere eliminato.
In altri casi il modello può addirittura non essere necessario (in questo caso si parla di “moldless-filament-winding”) visto che il filamenti vengono tirati tra una serie di punti nello spazio.
Esempi di applicazioni industriali:
automotive - un elemento di rinforzo del tettuccio di un auto
automazione industriale - strutture di elementi di presa:
automazione industriale - staffe:
aerospace - telaio sedile passeggero:
Esempi di applicazioni in architettura:
un aereo divano:
strutture autoportanti:
Ma il filament-winding è anche comunemente utilizzato in ambito ciclistico … e non solo in ambito sperimentale:
Uno dei vantaggi dichiarati di questa tecnica fa riferimento alla “sostenibilità”.
Infatti lo spreco di resina e fibra è veramente ridotto al minimo!
Tornando alla realizzazione dei profili verticali di sostegno del sedile della reclinata, la soluzione della fotografia seguente potrebbe essere applicabile (lasciando o meno il modello dopo la polimerizzazione della resina):
Ma sembra promettente anche la tecnica di avvolgere il filamento attorno ad una serie di “pioli” che ne definiscono il lay-out:
Il processo dalla progettazione alla realizzazione sarebbe il seguente:
Per la realizzazione della seduta penso di prendere spunto da alcune sedie / poltrone / divani / sedute. Anche in questo caso filamento di carbonio “intrecciato” a dovere:
Ma più guardavo queste stupende (e costose) realizzazioni, più mi tornavano in mente le sedute di modernariato che utilizzavano corda avvolta attorno ad una struttura:
O più semplicemente tutte quelle sedute basate su reti metalliche deformate ad-hoc:
Nota: mi ricordo di aver visto alcuni sedili per reclinata autocostruiti con una rete da pollaio … chissà come fare a ritrovarli …
E da qui scaturiscono altre idee realizzative!
A titolo di esempio, ho provato ad immaginare una trama che abbia un qualche razionale alle spalle:
Alla prossima puntata … ho già del polistirolo in cantina ;-)
Nota: quanto fin qui descritto lo posto con puro spirito di condivisione; al momento potrei non essere in grado di rispondere ad eventuali domande, visto che sto gradualmente chiarendomi le idee e definendo metodi realizzativi alla portata di autocostruttori “medi”.
Seguiranno gli eventuali passi relativi alla realizzazione di un proof-of-concept.
Come sempre i vostri feed-back costruttivi sono i benvenuti.
A chiedermi se potrà funzionare … ci sono già io ...
Alla prossima!
… to be continued ...Edited by recumbent - 23/1/2021, 14:46
... mica siamo qui ad esporre le lauree 
ed i titoli nobiliari 
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... serve, serve, serve eccome! 
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