- Abstract
- 1. Introduzione
- 2. Materiali e metodi
- 2.1. Valutazione a cricchetto
- 3. Risultati e Discussione
- 3.1. Design dell’asta: Progettazione convenzionale con aste in alluminio e connessioni sferiche
- 3.2. Design non convenzionale con elementi polimerici
- 3.3. Comportamento a cricchetto
- 4. Conclusioni
- Data Availability
- Conflicts of Interest
- Acknowledgments
Abstract
Il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) è un sottogruppo del polietilene termoplastico caratterizzato da catene estremamente lunghe e, come risultato, in un materiale molto duro e resistente. Grazie alle notevoli proprietà meccaniche specifiche, il suo uso viene gradualmente esteso a molteplici campi di applicazione. Questo studio descrive, forse per la prima volta, come l’UHMWPE possa rappresentare una valida soluzione di materiale nella progettazione e ottimizzazione di sospensioni per uso automobilistico, soprattutto nel caso di veicoli estremamente leggeri, come le auto solari. In particolare, in questo studio di progettazione, le aste in UHMWPE hanno permesso di assicurare specifiche traiettorie cinematiche, funzionalità e prestazioni complessive in un sistema di sospensione eccezionalmente leggero, sviluppato per un innovativo veicolo solare multioccupante. Queste aste hanno ridotto il peso dell’88% rispetto alle soluzioni classiche di design con funzioni simili, offrendo allo stesso tempo un’alta rigidità e precisione nei movimenti. È stata condotta una campagna sperimentale per valutare il comportamento del cricchetto e altre proprietà meccaniche necessarie per una corretta progettazione e utilizzo.
1. Introduzione
In alcune applicazioni di ingegneria strutturale all’avanguardia, come la progettazione di veicoli alimentati ad energia solare, il progettista ha bisogno di utilizzare materiali con la più alta rigidità specifica possibile e resistenza specifica al fine di raggiungere il peso minimo.
I veicoli solari sono prototipi innovativi destinati a correre per lunghe gare in condizioni estreme, come, ad esempio, le assolate e infinite strade desertiche australiane del World Solar Challenge . Minimizzare il peso permette, insieme ad altri dettagli tecnici e accorgimenti ingegneristici, di migliorare l’efficienza energetica del veicolo che rappresenta un fattore chiave per un prototipo solare di successo. Dal punto di vista della progettazione di un sistema di sospensioni per tale applicazione e a parte ogni altra considerazione propria della progettazione automobilistica tradizionale, il progettista deve agire con estrema attenzione per ridurre ogni sorta di dissipazione di energia.
Pertanto, l’auto deve correre stabile sull’asperità della strada, le vibrazioni devono essere minime, e l’inerzia rispetto ai cambiamenti di velocità e direzione deve essere limitata. Ciò significa, in pratica, che la progettazione deve essere diretta a sospensioni rigide, leggere e precise. La possibilità di ottenere questi risultati è anche legata alla scelta del materiale.
Considerando le note tabelle di Ashby si arriva alla conclusione che la scelta dovrebbe essere limitata a sandwich di plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), in presenza di carico flessionale o per l’assorbimento di energia, e laminati negli altri casi, con la possibilità di usare metalli dove altre condizioni possono suggerire di non usare compositi (ad esempio, alte sollecitazioni di contatto, carico trasversale ed esposizione). In casi molto specifici, dove sono presenti vincoli geometrici o funzionali, come nel sistema di sospensione, altri tipi di materiali, come i polimeri ad alte prestazioni, possono essere presi in considerazione dal progettista.
Gli studi presentati sono stati preliminari alla progettazione di una sospensione completa in CFRP per il veicolo solare chiamato Emilia 4, un’auto solare multipasseggero, progettato e sviluppato dall’Università di Bologna in collaborazione con l’Associazione Onda Solare Solar Car. Questo veicolo appartiene alla classe Cruiser, secondo il regolamento del World Solar Challenge ed è un prototipo da corsa a quattro posti. Il modello di auto è stato presentato nel giugno 2018 e ha vinto l’American Solar Challenge nel luglio 2018. In questo evento, il veicolo ha percorso 2700 km per mezzo di energia esclusivamente solare mostrando un valido compromesso tra le diverse scelte progettuali. Tra queste, una particolare attenzione è stata rivolta alla ricerca di soluzioni progettuali efficaci per i sistemi di sospensione. La forma generale del veicolo è mostrata in Figura 1, dove la posizione dei sistemi di sospensione è visibile in trasparenza.
Per ulteriori dettagli, il processo di progettazione del telaio del veicolo è mostrato in . L’intera carrozzeria del veicolo è stata realizzata in autoclave con sandwich CFRP/polimero a nido d’ape, mentre tutti gli altri componenti meccanici sono costituiti da laminati CFRP.
Diversamente dalla maggior parte delle applicazioni ingegneristiche, nel caso dei veicoli da competizione, le principali direzioni di progettazione sono dettate dalle regole della gara cui sono destinati (es.) Questi requisiti, in particolare, riguardano aspetti come le dimensioni complessive, la sicurezza, la visibilità, la guidabilità e le caratteristiche dei pannelli solari e delle batterie. Tutti questi vincoli tecnici, uniti all’obiettivo generale del design di ridurre il consumo di energia, hanno portato, per quanto riguarda gli aspetti meccanici e strutturali, all’ottimizzazione aerodinamica e a un peso totale della vettura inferiore a 330 kg. Aggiungendo 320 kg, che è il peso standard di quattro passeggeri, il carico totale sulle quattro sospensioni era di 650 kg.
Il sistema di sospensioni è l’unica parte mobile del veicolo nel nostro caso, poiché i motori elettrici sono situati all’interno delle ruote posteriori, in modo che nessun albero di trasmissione o differenziale è necessario.
In generale, la sospensione di un’automobile è l’insieme di leve ed elementi elasticamente deformabili che, vincolando le masse non sospese con le masse sospese, ha la funzione di mantenere il corpo in sospensione di attuare una predeterminata distribuzione delle forze variabili – forze insistenti sulle ruote sia in trazione che in curva e in frenata – e di ridurre gli urti trasmessi in seguito al passaggio del veicolo sull’asperità della strada. La sospensione, quindi, comprende tutte quelle parti che collegano le ruote al telaio. In generale, è composta da tre parti principali: una parte strutturale, una parte elastica e una parte di smorzamento (che nel nostro caso di studio non è concentrata in un unico elemento). La parte strutturale è un insieme di leve che ha lo scopo di guidare la sospensione e di conseguenza la ruota nel suo moto rispetto al telaio.
In particolare, il disegno scelto per la sospensione anteriore, che è il focus di questo articolo, è mostrato in Figura 2. Consiste in una sospensione a bracci longitudinali, adatta ai lunghi rettilinei, come quelli che si incontrano nelle competizioni di 3000+ km, con una molla a balestra trasversale che ha anche un ruolo antirollio poiché è unita ad entrambe le ruote anteriori.
L’architettura della sospensione comprende una biella caricata in tensione che collega il braccio superiore di forma lambda (o braccio superiore) alla molla a balestra. Fondamentalmente, il veicolo è sospeso a quella biella che trasferisce il carico all’elemento lambda e poi, attraverso un pilastro, alla ruota.
Questa biella deve essere molto piccola per adattarsi allo schema della sospensione, ma soprattutto, deve avere giunti sferici alle sue estremità perché la cinematica dell’elemento lambda fa muovere l’estremità superiore della biella su un cerchio nel piano sagittale, mentre l’estremità inferiore si muove sul piano trasversale durante la deformazione della balestra.
A seguito di queste considerazioni, sono state studiate e confrontate diverse possibilità, tra cui l’uso di strisce di polietilene ad altissimo peso molecolare (nome commerciale Dyneema o Spectra).
Le proprietà meccaniche della fibra UHMWPE a temperatura ambiente sono piuttosto interessanti per il progettista, rispetto alle soluzioni a base di metallo o compositi, e l’uso di queste strisce polimeriche può portare a un componente molto più leggero e compatto.
In effetti, con una densità di 975 kg/m3, un tipico filo di Dyneema ha un modulo elastico di 110 GPa e una resistenza alla trazione di 3400 MPa.
Oggi questi materiali si trovano in molte applicazioni sportive che richiedono leggerezza e resistenza, come le vele da parasailing, le linee di sospensione per parapendio o paracadute, e nel sartiame usato nella vela da competizione. Sono anche utilizzati nel tiro con l’arco o come linee di pesca sportiva in forma di monofilamenti. Infine, sono utilizzati nell’arrampicata, anche per la loro resistenza all’abrasione. Per quanto riguarda le applicazioni industriali, le fibre UHMWPE sono utilizzate per i prodotti di corda e cordame utilizzati nell’industria petrolifera e del gas offshore e nell’industria marina industriale. Inoltre, la loro resistenza all’abrasione e agli agenti chimici rende queste corde alternative interessanti ai fili e ai cavi metallici in ambienti corrosivi.
Le fibre UHMWPE sono anche utilizzate come componente nelle vele ad alte prestazioni, spesso abbinate a una fibra resistente al creep, come il carbonio o il Kevlar. Il problema del creep, cioè la tendenza ad avere una deformazione crescente nel tempo in presenza di un carico statico, è stato considerato per la prima volta nel caso di applicazioni biomeccaniche.
In generale, devono essere impiegate procedure di progettazione aggiuntive per garantire la resistenza al creep e al ratcheting.
Il ratcheting è definito come il progressivo accumulo di deformazione plastica nei materiali sottoposti a carico ciclico controllato da stress con stress medio non nullo. Questo accumulo procede con l’aumentare del numero di cicli, portando eventualmente alla rottura.
Si può trovare un numero molto limitato di riferimenti sulla caratterizzazione di fibre termoplastiche o strisce in carico di fatica a trazione.
Sono disponibili alcuni studi di ricerca sul comportamento a cricchetto dell’UHMWPE sfuso sotto carico mono o biassiale, considerando anche l’effetto degli additivi in particolare per applicazioni biomeccaniche, ma per quanto ne sanno gli autori, non ci sono studi nella letteratura scientifica sul comportamento a cricchetto di fibre, filati o strisce di UHMWPE.
2. Materiali e metodi
In questa sezione, vengono dettagliati i requisiti per le possibili soluzioni di progettazione, comprese le strisce di UHMWPE. Per questo materiale, viene mostrata la caratterizzazione del cricchetto e viene proposta una procedura per permetterne l’uso nel sistema di sospensione.
L’asta deve sopportare un carico assiale statico pari alla quota del peso dei passeggeri e dell’auto che insiste sull’asse specifico. Inoltre, è sottoposta a carichi dinamici dovuti alle normali oscillazioni verticali che si verificano durante il moto del veicolo e infine agli urti come conseguenza dell’impatto con gli ostacoli.
Per quanto riguarda la sospensione anteriore, dove si trovano le aste, si valuta che il carico statico per singola ruota sia di 0,5 kN quando il veicolo è scarico e di 1 kN quando il veicolo trasporta quattro passeggeri. Il carico dinamico è considerato un multiplo di quello statico, ed è fissato 2 kN max per la guida normale (carico di lavoro) e 5 kN max in caso di shock (carico peggiore). Tutte queste forze caricano le aste esclusivamente in trazione.
Le specifiche delle corse negative e positive della ruota sono state utilizzate per progettare la balestra e non sono importanti per la scelta dell’asta, a condizione che sia significativamente più rigida della balestra.
Nella figura 3, viene mostrata la cinematica della sospensione, attraverso le due posizioni estreme nelle viste laterale e frontale.
Un requisito generale per questo elemento è essere commerciale e possibilmente certificato per un carico specifico. Questo ha escluso la possibilità di usare un elemento fatto di filo d’acciaio crimpato che sarebbe stato molto efficace, ma non sono disponibili per carichi così alti in piccole dimensioni (inferiori a 150 mm, tutto incluso).
Diversamente dalla soluzione metallica, un componente polimerico deve essere valutato per quanto riguarda il comportamento viscoplastico dipendente dal tempo che è quello che viene descritto nella prossima sezione.
2.1. Valutazione a cricchetto
Non appena il peso del veicolo vuoto sulla sospensione anteriore rappresenta una frazione molto piccola del carico di rottura, a causa dell’imminenza della prima gara del veicolo solare, si è deciso di saltare una campagna di creep-test che richiede tempo e i componenti sono stati testati direttamente in condizioni di cricchetto.
È stata eseguita una prova ciclica controllata dal carico su una macchina servoidraulica Instron 8033, dotata di una cella di carico da 25 kN. La frequenza era di 0,5 Hz e il rapporto di carico variabile, ma mantenendo il carico minimo sempre a 1 kN (corrispondente a una quota del peso del veicolo e dei passeggeri su una sola ruota anteriore). In Figura 4, è possibile vedere il sistema di caricamento del provino.
Sono stati condotti tre tipi di test, tutti con carico ciclico sinusoidale, su tre provini ciascuno:(i)Step test a rottura, in cui, mantenendo costante il carico minimo a 1 KN, il carico massimo veniva portato a 2 kN ogni 10 cicli(ii)Test ciclico tra 1 e 2 kN per 10000 cicli a 0.5 Hz che è la condizione di guida normale durante la gara (iii) Prova ciclica tra 1 e 5 kN per 10000 cicli a 0,5 Hz che è la condizione peggiore da affrontare in un numero molto limitato di volte (10-20) durante la gara. Poi, un periodo di riposo di 7 giorni ad un carico costante di 1 kN. Dopo di che, sulla stessa asta, un test ciclico tra 1 e 2 kN per 10000 cicli a 0,5 Hz
3. Risultati e Discussione
3.1. Design dell’asta: Progettazione convenzionale con aste in alluminio e connessioni sferiche
L’ovvia soluzione commerciale è un’asta in alluminio con due connessioni sferiche, come si può vedere nella Figura 5, che è calcolata secondo la ISO 12240-4 dal catalogo disponibile, per esempio, in . Considerando i carichi sopra indicati si arriva ad una coppia di teste sferiche commerciali, scelte tra i tipi indicati nella tabella 1, unite da un pilastro di alluminio. La lunghezza minima totale () dell’asta diventa varia da 78 a 108 mm e il peso totale varia da 26 a 52 grammi più pochi grammi del peso del pilastro di alluminio.
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La rigidità dell’asta è dominata da quella della parte in alluminio, ma non è un problema in quanto appena è molto più alta di quella della molla.
D’altra parte, in questo caso, la lunghezza minima è determinata dalla geometria della testa e anche il diametro della testa da un lato può essere troppo grande per adattarsi alla balestra, e dall’altro, il diametro del perno di collegamento () è limitato a 6 mm a causa della dimensione del foro della testa. Questo potrebbe essere un problema nel collegamento con l’elemento lambda a causa delle alte pressioni di contatto sugli strati di CFRP.
3.2. Design non convenzionale con elementi polimerici
Dopo queste considerazioni, è stata studiata la possibilità di usare un elemento polimerico commerciale. Sono state testate corde di kevlar con un diametro di 12 mm e una resistenza nominale di 20 kN, ma la crimpatura ha avuto gli stessi problemi riscontrati nel caso dei fili metallici e la realizzazione di nodi porta ad una forte (e difficile da prevedere) riduzione della resistenza nominale, eliminando così il vantaggio del componente commerciale. Nella figura 6 è mostrato l’effetto di diversi tipi di nodi sul comportamento quasistatico della corda. Si può notare che il serraggio del nodo è responsabile di enormi spostamenti con un carico molto limitato. In nessun caso, la resistenza ultima è vicina a quella nominale e anche la rigidità complessiva non è adatta all’applicazione.
Infine, una striscia di Dyneema cucita usata per l’alpinismo e classificata con marchio di certificazione CE per 22 kN, mostrata nella Figura 7, è stata identificata come una possibile soluzione.
La lunghezza minima è di 100 mm, il peso è di 6 grammi, la larghezza è di 10 mm, e il diametro della testa è uguale al diametro del perno più due volte lo spessore della striscia che è di 2 mm. Queste strisce possono essere collegate alla molla a balestra e all’elemento superiore lambda per mezzo di perni da 12 mm, portando ad una pressione di contatto abbastanza bassa sul composito.
3.3. Comportamento a cricchetto
Nella figura 8, è mostrato un tipico risultato di un test a gradini. Si può notare un comportamento a cricchetto, più evidente nei primi cicli, corrispondente ai carichi più bassi. Il carico di rottura è superiore al carico certificato e corrisponde a uno spostamento di 14 mm.
La figura 9 mostra lo spostamento massimo, in rosso, e minimo, in blu, corrispondenti rispettivamente al carico massimo (5 kN) e minimo (1 kN) all’interno del ciclo.
Si può dimostrare che, dopo un forte aumento nei primi cicli, l’effetto ratcheting tende a rallentare.
Nella figura 10, sono mostrati i risultati tipici delle tre prove (si noti che in questo caso il numero di cicli è in scala logaritmica). È possibile apprezzare l’effetto stabilizzante sui provini caricati da 1-2 kN di un precedente carico da 1-5 kN. Così, le strisce precaricate partono da una lunghezza di 2,6 mm superiore a quella commerciale, ma il comportamento di cricca dovuto al carico di servizio (1-2 kN) è drasticamente ridotto. Questo può essere spiegato attraverso due diversi fenomeni che si verificano durante il carico tra 1 e 5 kN a due diverse scale dimensionali. A livello molecolare, le lunghe catene di polietilene del singolo filo si allineano lungo la direzione del carico. Mentre a livello microscopico, i fili della trama e dell’ordito della striscia si compattano e si allineano lungo la direzione del carico, come mostrato nelle micrografie elettroniche a scansione della Figura 11, dove si confrontano strisce vergini e allenate.
(a)
(b)
(a)
(b)
I risultati mostrano che è possibile utilizzare l’asta in UHMWPE, prendendo la precauzione di allenarla prima del montaggio ad un carico superiore a quello nominale, per registrare la sospensione con la giusta lunghezza iniziale.
Il protocollo di allenamento suggerito è il seguente:(i)verificare che il carico massimo worst-case sia inferiore al carico massimo nominale diviso per un adeguato fattore di sicurezza (più alto è il fattore di sicurezza, minore è lo stiramento del nastro in fase di allenamento)(ii)applicare il carico massimo worst-case per un numero di cicli coerente con la durata della missione del componente, a frequenza realistica(iii)mantenere l’asta staticamente al livello minimo del carico ciclico per lo stesso tempo dell’allenamento ciclico(iv)misurare la lunghezza dell’asta per adattare il set-up di montaggio
4. Conclusioni
Si è mostrato il progetto di un’asta per una sospensione di un veicolo leggero. L’analisi delle possibili soluzioni di design, cioè, un’asta metallica convenzionale con connessioni sferiche commerciali e un elemento polimerico UHMWPE commerciale, ha mostrato che quest’ultimo era in grado di fornire alcuni vantaggi competitivi, in termini di peso e dimensioni ridotte.
Tuttavia, è stato riscontrato che in questo caso, il comportamento di creep e ratchettamento potrebbe essere un problema, a causa di due meccanismi principali: l’allineamento a livello molecolare delle lunghe catene di polietilene e la compattazione e l’allineamento nella direzione del carico dei fili della trama e dell’ordito del nastro a livello microscopico.
Adeguate prove sperimentali meccaniche cicliche hanno dimostrato che, dopo l’applicazione del carico di lavoro e del carico peggiore, l’allungamento dell’asta ad un carico di 1 kN era di 2 e 3,2 mm, rispettivamente.
Applicando uno specifico protocollo di addestramento, si è ottenuta una piena stabilizzazione dell’asta rispetto al cricchetto, con un leggero allungamento, di cui bisogna tener conto, rispetto ai componenti non addestrati.
Le aste in UHMWPE addestrate sono state qualificate per la sospensione attraverso i test citati, sia per quanto riguarda il carico massimo che la stabilità dimensionale, e sono state effettivamente montate sul veicolo Cruiser-Class “Emilia 4” che ha vinto l’edizione 2018 dell’American Solar Challenge.
Data Availability
I dati sperimentali utilizzati per supportare i risultati di questo studio sono disponibili presso l’autore corrispondente su richiesta.
Conflicts of Interest
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata supportata da Onda Solare Solar Car Association. Infine, un ringraziamento speciale ad Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti e Davide Peghetti per i loro contributi personali. Questa ricerca è stata finanziata dal Ministero Italiano degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionale (MAECI) attraverso i Progetti di Ricerca Congiunti di Particolare Rilevanza, con un progetto denominato “Due posti per un’auto solare” nell’ambito del Programma Esecutivo di Cooperazione tra Italia e Serbia nel campo della scienza e della tecnologia.