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DAL POZZO MASSIMO
LORENZI DENNIS

 

LABORATORIO DI ANALISI DINAMICA

 

 

“STUDIO DEL CARRO POSTERIORE DI UNA MTB FULL-SUSPENDED”

           

In questo progetto si è fatta una breve panoramica di alcuni problemi dinamici presenti nelle biciclette MTB di ultima generazione, ovvero MTB full-suspended (bi-ammortizzate). Come modello di simulazione si è optato per il telaio XTC della Giant full-suspended da cross country (quindi adatto per le competizioni e le granfondo).

 

 

 

CAPITOLO 1

Le caratteristiche tecniche del sistema NRS (No Resonance System)

 

Il miglior modo per capire il sistema NRS Giant è iniziare da un veloce ripasso di ciò che la sospensione di una bicicletta dovrebbe e non dovrebbe fare. Molto semplicemente, una sospensione ideale dovrebbe:

·        Contribuire al controllo e alla comodità della bicicletta

·        Non interferire con altri aspetti della corsa

“Non interferire con altri aspetti della corsa” è un modo gentile per dire “non dissipare potenza” o provocare rimbalzo. Il problema è che fino ad ora, tutte le sospensioni hanno richiesto una certa forma di compromesso: ci sono dozzine di sospensioni per biciclette (Kastle, Cannondale, FRM, GT, Schiwinn, Specialized…) ciascuna delle quali garantisce di essere perfetta. Molte di esse sostengono che i loro ideatori hanno la grande eredità ventennale del motociclismo.

E qui è il segreto di cui non si è mai parlato: c’è qualcosa di davvero unico nelle biciclette, la cui sospensione è fondamentalmente più difficile da progettare rispetto a quella di una motocicletta o di un’automobile. Il problema può essere riassunto in due parole: il ciclista. Idealmente si vorrebbe un sistema di sospensione che risponda alle forze ESTERNE (cunette) e ignori le forze INTERNE (uomo-macchina). Le auto e le moto non hanno da preoccuparsi della macchina. Un motore che non vibra non farà reagire la sospensione, perciò chi la progetta può semplicemente ignorarlo.

Al contrario, le biciclette hanno un motore che va a scatti. La pedalata è in realtà una vibrazione a bassa frequenza e grande ampiezza. In termini più semplici, confronto ad un motore a gas, si pedala più lentamente e con movimenti più ampi: su una bicicletta i pistoni sono le gambe!

Si confronti, in maniera molto intuitiva, (ci scusino i puristi…)un tipico ciclista con un tipico motore a gas:

Variabile

Persona

Motocicletta

Automobile

Numero cilindri

2

2-4      

4-8

Giri/min

70-90

4000-8000

2000-5000

Movimento

350 mm*

Inferiore a 80 mm

Inferiore a 100 mm

* 175 mm è la lunghezza di una tipica pedivella da MTB. Per un giro completo si ottiene un movimento di 2 x 175 = 350 mm.

E’ abbastanza chiaro: trattandosi di vibrazioni, il ciclista perde tutto: quindi si vuole evitare che nel cercare di scalare una salita con tutta la forza possibile si veda la sospensione della bici rimbalzare ad ogni pedalata.

Dunque, il segreto non rivelato è: la sospensione di una bicicletta non puo' ignorare la componente del ciclista, se vuole funzionare bene.

 

Risonanza

La maggior parte delle sospensioni viene regolata vicino alla frequenza dei colpi, dove la risonanza è l’amplificazione del movimento naturale di una struttura. Perciò la risonanza è un movimento ampio con una spinta debole. In effetti la bicicletta esagera il colpo della pedalata e rimbalza di più. Di fatto, Renault Sport ha condotto alcune analisi scoprendo che la maggior parte delle sospensioni ha una frequenza di risonanza di pochi Herz (spesso circa 3 Hz nel caso delle biciclette, che significa 3 “rimbalzi” al secondo).E una cadenza di 90, tipica di un ciclista aggressivo, corrisponde a 3 Hz.

Una cadenza di 90 significa che state pedalando a 90 giri completi di pedale al minuto (90 RPM). In un giro completo, ciascun piede va su e giù una volta. Ogni pedalata fa rimbalzare la molla. Perciò ogni giro completo attiva la sospensione due volte, cioè 180 volte al minuto. 180 volte al minuto significa 3 volte al secondo. Dunque una cadenza di 90 RPM attiva la molla a 3 Herz.

Per molte sospensioni, la scelta più semplice (e senza effetto) è di irrigidire la sospensione in modo che non rimbalzi, ma così serve anche poco; oppure di mantenerla morbida in modo che assorba i colpi e anche la potenza. Molte altre aziende hanno studiato con cura la geometria in modo da evitare il rimbalzo in un punto specifico. Questa soluzione funziona per una condizione specifica. Ma appena si cambia rapporto o ci si alza dalla sella la bicicletta torna a fare il “canguro”.

 

Il segreto per una sospensione ideale è sorprendentemente semplice da definire sulla carta: ridurre l’effetto delle due forze. In effetti la sospensione potrebbe distinguere una forza derivante dall’urto di una cunetta e quella derivante dal ciclista.

Alla Renault hanno studiato a lungo e hanno creato il design NRS. NRS significa “Sistema Senza Risonanza” (No Resonance System). Esso non solo non amplifica la forza proveniente dal ciclista, ma la usa a proprio vantaggio.

Ecco la definizione di base: i colpi comprimono l’ammortizzatore posteriore; la forza derivante dal ciclista lo estende.

Se si passa sopra una cunetta, l’ammortizzatore si comprime, allora si fa in modo che la molla sia più morbida possibile per un buon assorbimento. Se si  pedala con forza, il sistema si estende; ma non c’è nessuna perdita di energia; anzi la ruota posteriore viene spinta verso il terreno migliorando la presa. Basta aggiungere al sistema una buona molla negativa perché la pedalata risulti liscia, ed è fatta.

L’accurata geometria del leveraggio del carro ammortizzato a quattro barre associa una sospensione che si estende ad un sistema no-SAG. Le braccia del leveraggio sono sistemate in modo simile a un’altalena: da una parte c’è la ruota che spinge in su a comprimere la molla; dall’altra parte il ciclista che spinge verso il basso cercando di estendere la molla. Questo sistema è adatto per il cross country da competizione.

 

Estensione della sospensione

Alla Renault Sport si sono basati su un’attenta analisi della sospensione anteriore delle bici. Hanno capito che sotto potenza si verifica un trasferimento di peso che di fatto fa estendere la sospensione anteriore. L’idea alla Renault Sport era quella di avere una sospensione posteriore che si comportasse come quella anteriore, estendendosi per controbilanciare le forze di pedalata.

Che la sospensione si estenda significa che la forza della pedalata tende ad estendere la sospensione, mantenendo l’ammortizzatore dei colpi nell’area negativa della molla, lontana dalla morbida posizione positiva. La molla negativa, avendo una frequenza di risonanza più alta, ha bisogno di una cadenza di pedalata di ben oltre 180 rpm per iniziare a rimbalzare, molto più di quanto possa fare qualsiasi ciclista. La molla negativa, inoltre, agisce da molla esterna superiore. La molla positiva, molto più morbida, si concentra completamente sulle necessità delle cunette, e si comprime per assorbirle. Il risultato è una bicicletta con tutti i benefici della bi-ammortizzata (controllo e comodità), senza lo svantaggio dell’inefficienza (perdita di potenza).

 

Oltre ad estendersi, la sospensione NRS deve essere regolata col NO SAG (pre-compressione dovuta al peso del ciclista). Senza SAG, la regolazione corretta della sospensione non viene alterata dal peso del ciclista. L’ammortizzatore rimane nella sua posizione ideale, pronto ad assorbire i colpi, e pronto anche a resistere alla forza di pedalata del ciclista per evitare il rimbalzo.

Quasi tutte le sospensioni devono avere del “sag” per poter funzionare facilmente su piccole cunette ed essere completamente attive - a spese della potenza. Nel caso dell’NRS la posizione morbida della molla positiva reagisce istantaneamente a tutti i colpi con una perdita di potenza pari a ZERO! Come può essere? Dal momento che tutte le buone sospensioni ammortizzano i rimbalzi, facendo tornare la molla positiva in posizione neutrale (a una velocità inferiore rispetto a quando è compressa), su una superficie tutta dissestata la sospensione si comporta proprio come farebbe una bicicletta con sag. La molla viene costantemente compressa ed estesa, senza ritornare nella sua posizione neutrale finché il terreno non torna ad essere regolare.

 

Prestazioni

I risultati di prove durante una gara di Cross Country di 8 minuti (5 minuti in salita e 3 in discesa) hanno evidenziato una velocità massima media della bici da cross country XtC DS di 2-4 km/h superiore rispetto ad una già veloce MCM rigida. Inoltre, il tempo guadagnato nella parte in discesa è stato di 7 secondi.

Ulteriori test svolti usando le migliori biciclette rigide della Giant hanno evidenziato un recupero medio di 20 secondi a tappa nel circuito di Coppa del Mondo di Sidney. L’aspetto più interessante è che in queste prove il battito cardiaco del ciclista su bici con sistema NRS era significativamente più basso rispetto a chi usava una bici rigida.

NOTA: NOTA: Nell’acquisizione di questi dati, sono state monitorate tutte le funzioni vitali della bicicletta, compresa la frequenza di pedalata, i colpi alle sospensioni anteriore e posteriore, la velocità delle vibrazioni del manubrio e della sella, la distanza e la frequenza cardiaca del ciclista. In altri termini, la bicicletta è stata sviluppata sulla base delle reali prestazioni più che sulle sensazioni del ciclista - essenziale se si considera che una bicicletta più comoda sembrerà inevitabilmente più lenta di una bicicletta meno comoda.

 

Il parere dei ciclisti della squadra GIANT MTB sul sistema NRS

 

Rune Hoydahl

Sono stato coinvolto nella sperimentazione di questo sistema sin dall’inizio, perciò ho sempre saputo che è davvero speciale. La vera differenza è che la XtC DS è costruita in modo tale da essere rigida in salita, il che elimina quella perdita di potenza che si ha con le bi-ammortizzate. Quando non sono seduto in sella e pedalo al massimo, la XtC DS sembra proprio la mia MCM. Ma quando arrivo in cima e inizio la discesa ho tutti i vantaggi di una bi-ammortizzata e quindi posso andare veramente più veloce. La cosa strana è che effettivamente mi pare di essere più lento con la XtC DS, e invece sono più veloce, a prova di cronometro. Durante l’allenamento mi sono poi accorto che posso pedalare più a lungo e più velocemente perché mi stanco meno che con una bici normale. Voglio ringraziare Andy Wollny, il meccanico della nostra squadra e P. Tribotte della Renault Sport. Hanno lavorato davvero sodo per fare della XtC DS la bicicletta perfetta; e credo che tutti dovrebbero provarla.

 

Yohann Vachette

Non ho dubbi sul fatto che l’NRS rappresenta un enorme passo in avanti nel mondo del ciclismo all terrain. Non dimenticate che la mia XtC DS è già stata messa alla prova in gara, e credo che in futuro vedremo sempre più bici bi-ammortizzate basate su questo concetto. A livello pratico la XtC DS è una bicicletta che corre e si manovra molto bene, anche quando si pedala al massimo. La sospensione posteriore non rimbalza, e quindi non c’è perdita di potenza sulla ruota posteriore. La regolazione del sistema è semplice e consente una morbidezza tale che su terreni particolarmente accidentati è possibile godere di tutti i vantaggi dell’ammortizzazione. Funzione benissimo sia quando sono seduto sulla sella, che quando mi appoggio solo sui pedali. Tutto ciò significa che posso godere di una pedalata assolutamente comoda in discesa con una trazione molto migliore rispetto ad una bici rigida, ma non perdo nemmeno potenza in salita, il che è fondamentalmente perfetto.

 

Dominique Arnould

La prima cosa che si nota è l’assenza di qualsiasi effetto di rimbalzo posteriore in salita, con un miglioramento decisivo della trazione su terreni molto irregolari. Anche in discesa si va molto meglio a sterzare, il che significa che posso spingermi al limite senza correre inutili rischi. Sono inoltre impressionato dalla leggerezza del sistema, cosa molto importante e sorprendente da trovare in una bi-ammortizzata. Dopo aver usato la XtC DS ed essermi piazzato dodicesimo nella Coppa del Mondo a Sydney e ottavo a Plymouth, sono assolutamente convinto dalla qualità tecnica della bicicletta, che sicuramente userò per tutte le rimanenti gare di questa stagione. Io odio la parola “rivoluzionario”, ma in questo caso è la verità.


CAPITOLO 2

SIMULAZIONE DEL SISTEMA CON “VISUAL NASTRAN”

 

Modellizzazione e simulazione del sistema.

Per modellare il telaio si è utilizzato il programma “mechanical desktop”; i componenti presenti sono:

-         triangolo del carro anteriore

-         forcellini orizzontali del carro posteriore

-         forcellini verticali del carro posteriore

-         biella di rinvio

Successivamente i componenti sono stati assemblati e tutto il sistema è stato esportato nel  “visual nastran”.

Una volta verificata la correttezza della geometria e delle varie coordinate di tutta la struttura, si  è passati alla creazione delle coppie rotoidali necessarie per simulare il funzionamento del quadrilatero del carro posteriore, che sarà l’oggetto del presente studio.

Vale la pena ricordare che la determinazione del funzionamento dell’ammortizzatore, con i relativi tamponi di fine corsa, si è rivelata alquanto ostica (ci ha fatto “tribolare un pasto”!) per vari motivi, che per brevità vengono tralasciati.

Una volta accertata la buona realizzazione del pacchetto carro posteriore-ammortizzatore, si è provveduto ad eseguire alcune prove di simulazione dinamica mediante alcune forze esterne al sistema: il tiro catena (nella posizione di rapporto di marcia più agile), peso dell’atleta, carico impulsivo sulla routa posteriore:

-         Il tiro catena è stato modellizzato tramite un attuatore, che applica una forza sinusoidale con una frequenza di 3 Hz, per le ragioni già citate nel Cap.1, con il massimo di 1200 N.

-         Si è supposto che sulla ruota posteriore agisca una forza costante pari al 70% del peso dell’ atleta (80 kg).

-         Il carico impulsivo è presente solo in due simulazioni (delle quattro presentate) e ha una componente verticale di 1500 N applicata per una durata di 0.3 s.

 

Come già ampiamente introdotto nel capitolo 1, l’interesse delle prove si è concentrato sul particolare settaggio dell’ammortizzatore, privo di sag; quindi si è pensato di verificare se questa configurazione era effettivamente valida.

Nelle prime due simulazioni (“nrs-impulso” e ”nrs-pedalata”), la configurazione è quella priva di sag, come riportato dal manuale di utilizzo del mezzo; nelle successive due prove (“nrs-sag impulso” e ”nrs-sag pedalata”), si è provveduto ad alzare il tampone superiore e a calare il precarico, in modo che la sospensione potesse avere anche una limitata corsa “negativa”.

Capitolo 3

Grafici e conclusioni

 

Vengono di seguito riportati i comportamenti della sospensione posteriore, secondo le modalità sopra citate

 

 


nrs-pedalata: tensione catena

nrs-pedalata: lunghezza molla

 

 

nrs-impulso: lunghezza molla

nrs-impulso: posizione ruota posteriore

nrs-pedalata sag: tensione catena

nrs-pedalata sag: lunghezza molla

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


nrs-inpulso sag: posizione ruota posteriore

nrs-inpulso sag: lunghezza molla

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il sistema nelle due configurazioni non si è rivelato così innovativo visto che l’unica ragione per cui la sospensione priva di sag risulta meno attiva durante la pedalata è dovuto al solo fatto che c’è un elevato precarico che agisce direttamente sul tampone e ne blocca il movimento: si può dire che il comportamento in queste condizioni è simile a quello di un telaio rigido.

Si noti come nel caso in cui ci sia sag l’impulso venga assorbito in maniera migliore grazie alla corsa “negativa”.

 

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