Ti con zero

Innanzitutto un paio di "statement" relativamente alla piega che sta prendendo questa discussione:
- mi fa molto piacere potersi confrontare, cercando di oggettivare le proprie posizioni
- è ancora più divertente il fatto che al momento ci sono 2 "idee parallele" che si differenziano principalmente su aspetti telaistici e che io e Giorgio abbiamo la possibilità di scambiarci i "disegni" CAD

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Entrando nel merito del tema "spinta sui pedali" e conseguenti "sollecitazioni al telaio" (cioè i "load case"), ho fatto alcune riflessioni combinando quanto scrivevo QUI (che non smentisco del tutto) e le considerazioni di Giorgio, arrivando a quanto segue:

1) giusto per essere chiari: è scontato che ad ogni azione DEVE corrispondere una reazione uguale ed opposta ... non ci sono discussioni
1a) MA una reclinata MBB non è assimilabile immediatamente ad una "pressa da palestra" perché i pedali sono appunto "mobili", essendo solidali con il carro anteriore che è libero di sbandierare allegramente se non tenuto fermo "in qualche modo"
1b) il "qualche modo" è alla fine della fiera la "reazione" (meglio "le reazioni") alla "azione" del pedalare
1c) certamente, spingendo sui pedali, andrò a contrastare appoggiandomi sullo schienale o aggrappandomi al manubrio se adottassi una pedalata "alla Ruga" (e sono già 2 condizioni diverse), MA stiamo pedalando su di una MBB! ...
1d) ... quindi per definire gli sforzi che sollecitano il carro anteriore dovremmo simulare insieme il carro anteriore, la parte posteriore della bici (telaio posteriore + sedile) ed il corpo del ciclista ... gambe e braccia inclusi ...
1e) ... oppure concentrarsi sul solo carro anteriore, capendo bene però dove andare a mettere le "reazioni" che vanno a contrastare alla "azione" della pedalata, perché sono convinto che pensare di contrastare tutto solo con le braccia non sia realistico, neanche in partenza in salita
... ma non ho ancora le idee sufficientemente chiare ...

2) quanto può valere la "spinta sui pedali"?
2a) la normativa ci aiuta fino ad un certo punto, perchè fa riferimento ad una BDC tradizionale
2b) le mie considerazioni fatte sempre QUI potrebbero essere troppo trancianti
2c) allora provo a suggerire un altro modo per stimare la "spinta sui pedali", partendo dalla coppia trasmissibile allo spunto; in altre parole: quanto posso spingere sui pedali prima di far slittare lo pneumatico della ruota motrice sull'asfalto?

3) quanto posso spingere sui pedali prima di far slittare lo pneumatico della ruota motrice sull'asfalto
3a) dipende da molteplici fattori (almeno i seguenti) legati a manto stradale e pneumatico: coefficiente di attrito tra pneumatico e manto stradale, condizioni del manto stradale, tipologia dello pneumatico e pressione di gonfiaggio dello stesso, carico verticale sulla ruota
3b) ma la forza sui pedali dipende anche dallo sviluppo metrico adottato (includendo così sia il rapporto di trasmissione che il diametro della ruota) e dalla dimensione delle pedivelle
3c) ho messo giù una tabellina su Excel ed ho provato a fare qualche simulazione; da semplici passaggi matematici (è la frase che si trova in alcuni testi scientifici ... e non vedevo l'ora di usarla plin-plin) si arriva ad alcuni valori numerici che almeno hanno una parvenza di oggettività (il file Excel lo posso condividere senza problemi)

Ora portate pazienza, ma serve un minimo di spiegazione ... altrimenti saltate ai valori numerici in fondo e fate un atto di fede

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Partiamo dalla distribuzione dei carichi misurata su una MBB che conosco (la MyRev) con un ciclista a me noto (io stesso medesimo):



Considerando un ciclista di 70kg (~700N) ed una bici di 10kg (~100N), il peso totale è la somma, pari a 80kg (800N) che si vanno a distribuire secondo il disegno sopra.
Quindi sulla ruota motrice anteriore il carico verticale risulterebbe di circa 46kg (464N), cioè il 58% del peso totale.

Adesso serve il coefficiente di attrito tra pneumatico e manto stradale.
Ho cercato in rete ed ho trovato valori abbastanza variabili ... Da questo sito risulterebbe che un coefficiente di attrito in condizioni ottimali potrebbe essere di 0,75; altre fonti vanno da 0,5 a 0,8, quindi 0,75 mi sta bene anche perché mi mette "dalla parte della ragione" per il ragionamento che sto cercando di fare.

La forza tangenziale massima che pneumatico ed asfalto possono scambiarsi prima di slittare reciprocamente è quindi pari a 464 x 0,75 = 348N (~35kg).
Quindi attraverso la nostra spinta sui pedali non dovremmo superare una forza che attraverso tutta la trasmissione comporti una forza tangenziale tra pneumatico ed asfalto superiore a 35kg ... altrimenti slittiamo e non andiamo più avanti.

Da questa forza tangenziale massima tra pneumatico ed asfalto, passando attraverso il diametro della ruota, i rapporti di trasmissione (corona e pignone ingranati nel caso specifico che si sta analizzando) e la lunghezza delle pedivelle, si arriva finalmente alla forza massima sul pedale che porta al limite dello slittamento.
Questa forza è considerata applicata perpendicolarmente alla pedivella e da un solo piede (e vedremo magari in una altro post che per avere una caso "peggiore" conviene considerare che sia il piede sinistro).

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Ecco le spinte che risultano in alcuni scenari:

- Ruota 700C larghezza 23mm + n° denti pignone = 36 + n° denti corona = 30 + pedivelle = 172,5mm --> F MAX = 57,2 kg
(questa situazione fa riferimento alla super-compatta, al pacco pignoni ed alle pedivelle che uso in questo momento)

- Ruota 700C larghezza 23mm + n° denti pignone = 11 + n° denti corona = 46 + pedivelle = 172,5mm --> F MAX = 286,9 kg !!!
--> ovviamente questa è una condizione da non considerare ... si spaccherebbe tutto ancora prima di arrivare a tale forza

- Ruota 700C larghezza 23mm + n° denti pignone = 32 + n° denti corona = 34 + pedivelle = 172,5mm --> F MAX = 72.9 kg
(questa situazione fa riferimento ad una compatta, al pacco pignoni 11/32 ed alle pedivelle che uso in questo momento)


Con le pedivelle da 155mm le cose ovviamente cambiano. Giusto un paio di considerazioni:
- Ruota 700C larghezza 23mm + n° denti pignone = 36 + n° denti corona = 30 + pedivelle = 155mm --> F MAX = 63.6 kg

- Ruota 700C larghezza 23mm + n° denti pignone = 32 + n° denti corona = 34 + pedivelle = 155mm --> F MAX = 81.1 kg ... che vanno a nozze con la spinta di ~80kg ipotizzata "di pancia" (?) da Giorgio

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Dopo tutto questo apparente (?) sproloquio qual'è il "residuo secco"?
- 80kg di spinta solo su di un singolo pedale possono essere un valore oggettivo, anche se in condizioni estremamente ideali (in particolare, il coefficiente di attrito 0,75!) e con pedivelle da 155mm; a me è capitato di far slittare la ruota motrice spingendo in partenza mooolto meno ... ma i valori calcolati sono direttamente proporzionali al coefficiente di attrito, quindi è immediato stimare nuove "spinte" con coefficienti inferiori ...
- l'adozione di pedivelle "corte" normalmente comporta l'adozione di rapporti più corti ... che alla fine portano solo a cadenze più elevate, ma a sforzi non superiori (altrimenti ci si sfascia le articolazioni)
- quindi è più realistico fermarsi a 70kg
- se si considera una partenza in salita, la distribuzione dei carichi cambia un po' (l'anteriore si scarica) ... ma facciamo ancora finta che 70kg vadano bene
- bisogna fare attenzione a NON prendersi "margini di sicurezza" ogni dove, altrimenti alla fine il margine di sicurezza "complessivo" è esagerato!
- per il calcolo strutturale di una MBB bisogna chiarire / definire quali sono le "reazioni" (di che intensità e dove) che contrastano la "azione" dovuta alla spinta di 80kg su di un solo pedale
- appena subito dopo la partenza, la spinta sui pedali diminuirà a causa di vari fattori, ma soprattutto in conseguenza del fatto che nessuno sarebbe in grado di continuare a spingere 80kg per tanto tempo (a meno dei mostri da pista) ... quindi l'eventuale dimensionamento a fatica non dovrà considerare questi carichi, ma altri legati alla "pedalata rotonda" (o quasi )

... ma di questo, tiriamo tutti insieme un sospiro di sollievo, ne dibatteremo un'altra volta ... magari con il contributo di quello che Giorgio sembra stia facendo in questo momento

Edited by recumbent - 17/10/2023, 08:14

Accennavo nel post precedente al fatto che al momento ci sono 2 "idee parallele" che si differenziano principalmente su aspetti telaistici e che io e Giorgio abbiamo la possibilità di scambiarci i "disegni" CAD.

Ecco il confronto delle 2 soluzioni telaistiche ad oggi, confronto fatto sovrapponendo le 2 viste laterali, mettendo in primo piano prima una e poi l'altra (quella "verde" è la mia):





A parte il concetto di telaio diverso (Giorgio sta seguendo l'approccio Pedersen, io quello "ducatista" di un telaio bird cage), alcune osservazioni:
- Giorgio sta preferendo una posizione del movimento più alta; questo può essere legato a vincoli ergonomici (statura) e/o alla ricerca di una posizione più aerodinamica
- l'asse sterzo nella mia soluzione cerca di mantenere il più distante possibile le 2 cerniere (in alto ed in basso) per una maggiore rigidezza e minore sollecitazione delle cerniere, ma non credo che alla fine le 2 soluzioni avranno differenze prestazionali per questo
- nel mio telaio bird-cage ho avuto la libertà di mantenere il sedile alla altezza della My-Rev perché il tubo diagonale che va dall'asse della ruota posteriore all'asse sterzo ad un certo punto cambia inclinazione; nella soluzione di Giorgio si è obbligati a mantenere la stessa direzione ... e questo richiederà molto probabilmente di alzare il sedile
- inoltre, per evitare un rischio interferenza troppo elevato tra telaio e ruota anteriore, molto probabilmente il tubo di cui sopra dovrà alzarsi ancora un po' verso l'asse sterzo nella soluzione Pedersen-like
- il carro anteriore è decisamente diverso, avendo Giorgio optato per una soluzione più tradizionale ... ma questa parte, credo, essendo la più complessa e sollecitata, necessiterà ancora di parecchie riflessioni (almeno da parte mia)
- nella soluzione di Giorgio si potrebbe seguire l'ipotesi di carro anteriore che disegnai nel lontano 2012 (!!!) che permette di regolare la posizione del movimento centrale con un classico boom telescopico (LINK alla discussione di allora) ... e come scriveva Nimbus: "Si può anche variare il dislivello del movimento centrale, semplicemente ruotando la parte finale del boom."



Confesso che il telaio Pedersen-like è molto più intrigante del mio bird-cage (e per certi versi più semplice da realizzare) ... Lascio andare avanti Giorgio su questa strada, pronto allo switch se lo riterrò opportuno

Finito di modificare il telaio "bird-cage" secondo ultime indicazioni da ottimizzazione topologica.

Fa la sua porca figura ... almeno "ammmè me piace"
Il telaio posteriore dovrebbe pesare intorno ai 500 grammi senza "fasciature" alle giunzioni; diciamo 700 grammi fatto e finito? Sarebbe la metà del telaio posteriore della MyRev!!!



Prossimo passo: analisi strutturale del telaio.

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Certo che realizzare una struttura reticolare così sarà un bello sbattimento ... se solo si potesse pensare ad un filament winding ...
Riposto una foto che lascia un po' sconcertati, ma che se fosse di una bici "che funziona", aprirebbe spazio ad altre considerazioni:

Certo. Qualcosa di simile a questo:



Certo che si tratterebbe di intensificare le "diagonali" tra i tubi principali, visto che sarebbero di sezione inferiore.
Infatti:
- una "diagonale" realizzata con un tubo di diam-est. 10mm e spessore 1mm ha una sezione di ~28mm^2
- immaginando di realizzare con il rowing un "bastoncino" pieno, per avere la stessa sezione dovrebbe avere un diametro di 6mm ... che non è così facile da ottenere

Inoltre esteticamente non è il massimo.

Certo che, prendendoci la mano, sarebbe più veloce.
Però a questo punto punterei su qualcosa come questo:





... cose già mostrate in passato ...

Ora torno sul telaio "ducati-like" e provo a fare una verifica strutturale e poi vediamo.

Nota:
- ieri ho avuto per le mani una canna da pesca in carbonio (quelle telescopiche lunghe-lunghe) ... e sono riuscito a romperne una sezione, esagerando con la flessione
- il tubo sarà stato 0,5mm di spessore; mi ha impressionato nella modalità repentina di collassamento
- sicuramente fa riflettere su quanto "delicati" possano essere questi elementi sottili di carbonio ... anche se è vero che, in alcune zone, anche i telai in carbonio delle BDC sono mooooolto sottili ...

Riassunto delle puntate precedenti:

1) Apro questa discussione per condividere l'idea di immaginare una ipotetica nuova reclinata come una bicicletta il cui telaio sia un insieme di tubi uniti da giunzioni (LINK)

2) Realizzo alcuni studi tridimensionali in ambiente virtuale giusto per mettere i principali componenti "al loro posto" (basandomi sulle misure della MyRev) e per verificare se l'idea di un telaio reticolare "ducatista" possa avere un senso. Dopo alcune iterazioni, arrivo ad una prima architettura che sembra promettente per proseguire nel progetto (LINK)

3) Mi concentro in prima battuta sul telaio posteriore. Provo a fare qualche verifica per individuare dove avrebbe senso mettere il materiale del telaio; a questo scopo utilizzo un ottimizzatore topologico che, a fronte di alcune condizioni di carico e di un ingombro massimo del telaio, mi restituisce una soluzione di massima che dovrà essere trasformata in qualcosa di realizzabile con "tubi & giunzioni". Dopo alcune iterazioni, arrivo ad una proposta su cui lavorare (LINK)




4) Nel frattempo "Giorgio_AL" inzia un progetto parallelo focalizzato sul concetto di bici con telaio "Pedersen". Con lui ci scambiamo i progetti CAD 3D ed alcuni ragionamenti.

5) Arrivo ad un telaio posteriore che recepisce i suggerimenti dell'ottimizzazione topologica (LINK). Questa la vista laterale (rispetto alle prime ipotesi, le nervature interne sono disposte in modo da meglio reagire ai carichi):




6) Effettuo una analisi strutturale di massima per verificare che il telaio posteriore, come immaginato al punto precedente, si comporti come previsto sia dal punto di vista delle sollecitazioni che delle deformazioni.
Avendo qualche difficoltà nel verificare il telaio reticolare effettivo, uso l'escamotage di verificare un telaio simile realizzato con una lamiera sottile; non è proprio la stessa cosa, ma è, credo, molto vicina alla realtà.

Le immagini che seguono sono relative a questo ultimo passo e mostrano i risultati dell'analisi strutturale. Alcune note:
- l'analisi strutturale si riferisce ad un solo fianco del telaio reticolare
- i carichi applicati sono quelli indicati in una delle figure seguenti (sono espressi in Newton [N]; 10 N ~ 1 kg) e corrispondono - da sx a dx - allo sforzo legato al freno posteriore (300 N), ad una porzione del peso del ciclista applicata sulla parte posteriore della seduta (500 N) ed alla restante porzione del peso del ciclista (200 N) applicata in prossimità della parte anteriore della seduta
- questa condizione di carico è una di quelle simulate nel corso dell'ottimizzazione topologica ed è quella "peggiorativa"
- avendo simulato un solo fianco ho in pratica già preso un margine di sicurezza pari a 2, visto che in realtà i due fianchi lavoreranno in parallelo
- per la stessa ragione i fattori di sicurezza mostrati in una delle figure a seguire sono in realtà da moltiplicare per 2



Questa immagine mostra le sollecitazioni e la deformazione (moltiplicata 30 volte rispetto alla realtà).
Apparentemente ci sono delle zone la cui sollecitazione supera il limite del materiale con cui è realizzato il telaio, ma in realtà si tratta di una zona molto concentrata che corrisponde al punto di appoggio del telaio anteriore (rappresentato solo per necessità di calcole del telaio posteriore). In altre parole: tutto il telaio posteriore è ben al di sotto del limite di sollecitazione. Ecco il dettaglio della zona "falsamente sovra-sollecitata" (quella "rossa" nello spigolo):




Il fattore di sicurezza è uguale o superiore a 3 nella maggior parte del telaio posteriore; solo in alcune zone verso l'asse sterzo si arriva a valori intorno a 2 (che poi sarebbero rispettivamente 6 e 4 per quanto ho cercato di spiegare sopra).






Le deformazioni sono al massimo di circa 2 mm ... che, sempre per quanto scritto prima sul fatto di aver simulato il carico su di un solo fianco, sarebbero in realtà di circa 1mm




Insomma: il telaio posteriore così come immaginato pare funzionare con adeguati margini di sicurezza e deformazioni assolutamente accettabili.

Ho immaginato tubi in carbonio commerciali di 2 dimensioni:
- 14 x 12 mm per il perimetro del telaio e le "aste" verso l'asse sterzo
- 10 x 8 per le nervature

Adesso si tratta di ragionare sul telaio anteriore, più complesso dal punto di vista delle sollecitazioni. Un passetto alla volta ...