35
M otorcycle D ynam ics M otorcycle D ynam ics Research G roup Research G roup www.dinamot I N F N F r a s c a t i - 6 o t t o b r e 2 0 0 5 L a F i s i c a e l a M o t o c i c l e t t a 1 La fisica e la motocicletta Vittore Cossalter Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Padova Via Venezia 1, 35131 Padova (Italy) INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza

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La fisica e la motocicletta

Vittore CossalterDipartimento di Ingegneria Meccanica

Università di PadovaVia Venezia 1, 35131 Padova (Italy)

INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza

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c ic l

ett

a2

•il corpo posteriore (telaio, motore, serbatoio, sella),•L’avantreno (la forcella, il manubrio),•la ruota anteriore,•la ruota posteriore.

1° g.d.l. rotazione della ruota posteriore (moto di avanzamento)2° g.d.l. rotazione del manubrio3° g.d.l. moto di rollio

La motocicletta è composta, considerando rigide le sospensioni, da quattro corpi:

La motocicletta

3x5=15 + 2x3=6

manubrio

4x6=24

CONSTRAINTSCORPI RIGIDI

ruota ant.

corpo post.

numero dei gradi di libertà = 24-21 = 3

avantreno

ruota post.

anteriore

posteriore

vincolo puntodi contatto

coppia rotoidale

ruota ant.

ruota post.

3=ruota anteriore

2=avantreno

punto di contatto anteriore

1= corpoposteriore

2° rotazione manubrio

1° rotazione ruota(moto di avanzamento)

3° moto di rollio

coppia rotoidale

4 = ruota posteriore

punto di contatto posteriore

coppia rotoidale

coppia rotoidale

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La F

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a e

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oto

c ic l

ett

a3

•Gli effetti giroscopici nella motocicletta sono importanti?

•Come si guida una motocicletta?

•Perché la motocicletta può diventare instabile e quindi pericolosa?

•Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?

•Quale sarà l’evoluzione futura della motocicletta?

•ARGOMENTI:

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La F

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a e

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oto

c ic l

ett

a4

Effetto giroscopico del moto di imbardata:

Gli effetti giroscopici della motocicletta.

L’effetto giroscopico “ruote, motore-moto imbardata” si manifesta con un momento raddrizzante.

zm

m om en tog iro sco p ic

y

x

v e lo c ità d iim b a r d a ta

zf

x f

y f

an g o lo d i ro llio

t

velocità rotazioneruota anteriore

velocità rotazioneruota posteriore

velocità rotazionemotore

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c ic l

ett

a5

Effetto giroscopico del moto di imbardata:

Gli effetti giroscopici della motocicletta.

L’asse di rotazione del motore è longitudinale

L’effetto giroscopico del motore non influenza l’angolo di rollio

Il motore ruota nello stesso verso delle ruote

L’effetto del motore si somma a quello delle ruote

Il motore ruota nel verso oppostoL’effetto del motore si sottrae a quello delle ruote

L’angolo di rollio reale risulta maggiore dell’angolo di rollio teorico

maggiore inclinazionedovuta al momentogiroscopico

m o m e n tog iro sc o p ico

h

zm

ideal= arctg

Rc

gangolo di rollio ideale

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La F

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a6

Effetto giroscopico del moto di rollio:

Gli effetti giroscopici della motocicletta.

Il momento giroscopico “ruota anteriore-moto di rollio” tende a ruotare il manubrio all’interno della curva, facilitando quindi l’ingresso in curva.

ro llio v erso d es tra

zm

y m

velocità angolare di rollio

velocità rotazioneruota anteriore

m o m en tog iro sco p ico

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La F

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ett

a7

Effetto giroscopico del moto di rollio:

Gli effetti giroscopici della motocicletta.

Il momento giroscopico “ruote, motore- moto di rollio” tende ad imbardare il motociclo verso destra, facilitando quindi l’ingresso in curva.

ro llio v erso d es tra

zm

ym

velocità angolare di rollio

velocità rotazioneruota anteriore

velocità rotazioneruota posteriore

m o m en tog iro sco p ico

v e lo c ità ro ta z ion em o to re

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a8

Effetto giroscopico del moto dello sterzo

Gli effetti giroscopici della motocicletta.

Il momento giroscopico tende a inclinare il motociclo verso destra, aiuta quindi il moto di rollio verso destra del motociclo.

velocità rotazionemanubrio

zm

ymxm

m om en tog iro sco p ic velocità rotazione

ruota anteriore

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a9

Stabilita’ direzionale:Stabilita’ direzionale:equilibrio del motociclo in rettilineo a bassa velocità

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva

il motociclo sta cadendo verso destra

il pilota gira lo sterzo verso destra

il motociclo incomincia a percorrere unatraiettoria circolare verso destra, si generauna forza centrifuga

si genera una forza centrifuga che tende ariportare il motociclo nella posizioneverticale

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a10

Stabilita’ direzionale:Stabilita’ direzionale:equilibrio del motociclo in rettilineo ad alta velocità

il momento giroscopico “ruota ant.-rollio”gira lo sterzo verso destra

il m o to c ic lo s ta c ad e n d ov e rso d es tra

. ... .. ..

velocità rotazione manubrio

la forza centrifuga tende a riportare il motociclo nella posizione

forza centrifuga

velocità d i rollio

v e lo c ità ru o ta

.........

il motociclo incomincia a percorrere una traiettoriacircolare verso destra, si genera una forza centrifuga

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva

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a11

“push right to go left”spingi verso destra per andare a sinistra

20

100

120

80

60

40

traiettoria

sterzata verso sinistraforza laterale verso sinistra

curva verso sinistra

moto di imbardata verso sinistra

rollio verso destra

sterzata verso destra

forza laterale verso destracurva verso destra

moto di imbardata verso destra

Fase iniziale di controsterzo

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva

Inserimento in curvaInserimento in curva

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a12

“push LEFT to go RIGHT”

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva

Inserimento in curvaInserimento in curva

0 20 40 60 80 100

-20

0

20

40

60

80

BAC

-40

-20

0

20

40

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Co

ppia

N

m]

ango

lo s

terz

o [r

ad]

dest

ra

A

CB

0

0.4

0.8

-2 0 2 4 6 8

-4

-2

0

2

4

rolli

o [

rad

]

tempo [s]

dest

ra

A

CB

0

0.4

0.8

0

0.2

0.4

velo

cità

ro

llio

[ra

d/s]

velo

cità

imba

rdat

a [r

ad/

s]

dest

ra

A

CB

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ett

a13guida della motocicletta: stabilita’

direzionale e inserimento in curva

Coppia positiva: capsize instabile

Senza il controllo del pilota l’angolo di sterzo diminuisce e il veicolo cade.

Senza il controllo del pilota il veicolo, dopo alcuni serpeggiamenti, tende a seguire una traiettoria rettilinea.

Sensazione di maneggevolezza

Coppia negativa: capsize stabile

aa

Rc

C

positive torque negative torque

aa

Rc

C

aa

Rc

C

Durante la guida lungo una traiettoria circolare, con velocità costante, il pilota controlla il veicolo applicando una coppia al manubrio.

Se il valore della coppia applicata è piccolo il pilota avverte la motocicletta come “maneggevole”.La coppia dovrebbe essere piccola e semmai di valore negativo.

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a14guida della motocicletta: stabilita’

direzionale e inserimento in curva

La coppia applicata allo sterzo

-4

-3

-2

-1

0

1

2

5 10 15 20 25 30 35

stee

ring

torq

ue /

late

ral a

ccel

erat

ion

[Ns2 ]

velocity [m/s]

25

50

100200 m = turning radius

50

200m

no lateral displacement

0.05 m driver lateral displacement

100

25

Influenza dello spostamento laterale del pilota

Supponiamo che la coppia applicata sia negativa (il manubrio viene sostenuto).Lo spostamento verso l’interno del pilota diminuisce il valore della coppia negativa. C

oppi

a/ac

cele

razi

one

late

rale

Velocità [m/s]

Pilota in posizione simmetrica

Baricentro pilota spostato all’interno di 5 cm.

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a15

capsize, caduta laterale del motociclo

wobble, oscillazione dell’avantreno attorno all’asse dello sterzo

weave, oscillazione laterale, di rollio e di imbardata di tutta la motocicletta

MODI DI VIBRARE

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

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a16

MODI DEGLI PNEUMATICI

Modo della massa non sospesa anteriore

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

Modo della massa non sospesa posteriore

Frequenza (10-20 Hz) Frequenza (10-20 Hz)

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Scuotimento verticale Beccheggio

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

MODI DELLE SOSPENSIONI

Frequenza (2-5 Hz)Smorzamento elevato (0.3-0.8)

Frequenza (2-5 Hz)Smorzamento elevato (0.5-1)

Il modo di beccheggio ha frequenza superiore del modo di scuotimento verticale

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WOBBLE

MODO “WOBBLE” O “SHIMMY” della ruota anteriore

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

Frequenza (5-10 Hz)Può essere instabile alle alte velocità

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

12

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5real [rad/s]

imag

inar

y [r

ad/s

]

freq

uenc

y [H

z]

= 0.10.30.4

U N

S T

A B

L E

0.2

= 0.5

root-loci (speed = 3..60 m/s)

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WEAVE

MODO “WEAVE”

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

Frequenza (1-4 Hz)Instabile alle basse velocità, può essere instabile alle alte velocità

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

12

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5real [rad/s]

imag

inar

y [r

ad/s

]

freq

uenc

y [H

z]

= 0.10.30.4

U N

S T

A B

L E

0.2

= 0.5

root-loci (speed = 3..60 m/s)

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a20•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

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a21•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLE FLESSIBILITA’ SUI MODI “WOOBLE e WEAVE”

deformazione torsionale

deformazione flessionale

deformazione flessionale

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La F

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la M

oto

c ic l

ett

a22

5

6

7

8

9

no bending53 kNm/rad33 kNm/rad23 kNm/rad

0 10 20 30 40speed [m/s]

wob

ble

freq

uenc

y [H

z]

a)

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40speed [m/s]

wob

ble

rea

l par

t [1/

s]

b)

STABLE

UNSTABLE

La flessibilità della forcella riduce la stabilità e la frequenza a velocità medio-bassa.

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”

deformazione flessionale

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a23

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40speed [m/s]

real

par

t [1

/s]

rigid

flexible fork without gyroscopic effects

flexible fork withgyroscopic efffects

A

B

C

K=23 kNm/rad

La flessibilità riduce la stabilità.L’effetto giroscopico “ruota anteriore-rotazione forcella” aumenta la stabilità.

bending axis

bendingspeed

wheelspin

gyroscopicmoment

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”

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a24

5

6

7

8

9

experimentsrigid modelmobile rider & flexible fork :

k=30 kNm/radk=40 kNm/rad

0 10 20 30 40speed [m/s]

freq

uen

cy [H

z]

a)

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

damp ratio k=30 kNm/raddamp ratio k=35 kNm/raddamp ratio k=40 kNm/raddamp ratio rigidtest damp ratio

0 10 20 30 40speed [m/s]

dam

ping

rat

io

b)

STABLE

UNSTABLE

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”

CONFRONTO NUMERICO-SPERIMENTALE

deformazione flessionale

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INF N

– F

ras c

at i

- 6

ot t

ob

re 2

00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a25

0

1

2

3

no torsion7.5 kNm/rad3.0 kNm/rad1.5 kNm/rad

0 10 20 30 40speed [m/s]

wea

ve f

requ

ency

[Hz]

a)

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40speed [m/s]

wea

ve r

eal p

art

[1/s

]

b)

STABLE

UNSTABLE

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITÀ TORSIONALE DEL TELAIO-FORCELLONE POSTERIORE

SUL MODO “WEAVE”.

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

La flessibilità torsionale riduce la stabilità.La flessibilità torsionale riduce la frequenza alle velocità medio-alte.

deformazione torsionale

deformazione flessionale

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– F

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- 6

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ob

re 2

00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a26

-10

-5

0

5

10

RE k=1e8 kNm/rad

RE k=3.0 NO GYR

RE k=3.0

0 10 20 30 40speed [m/s]

real

par

t [1

/s]

rigid swingarm

flexible swingarm

A

B

C

UNSTABLE

deformazione torsionale

deformazione flessionale

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ TORSIONALE SUL MODO “WEAVE”

La flessibilità torsionale riduce la stabilità.L’effetto giroscopico “ruota posteriore-rotazione forcella” aumenta lievemente la stabilità.

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– F

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- 6

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ob

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00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a27

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40speed [m/s]

wob

ble

rea

l par

t [1/

s]

b)

STABLE

UNSTABLE

5

6

7

8

9

fixed rider

suspended rider

0 10 20 30 40speed [m/s]

wob

ble

freq

uenc

y [H

z]

a)

0

5

10

15

20

25fixed ridermobile rider

-10 -5 0 5 0

1

2

3

weave real part[1/s]

UN

ST

AB

LE

wea

ve f

requ

en

cy [

Hz]

V = 1 m/s

V = 40 m/s

wea

ve im

agin

ary

par

t [ra

d/s

]La mobilità del pilota incrementa la

stabilità sia del Weave che del Wobble

WOBBLE WEAVE

•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLA MOBILITA’ DEL PILOTA SUI MODI “WEAVE” e “WOOBLE”

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00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a28

Caso particolare: solo moto di rollio (traiettoria rettilinea)

•The Mozzi axis is horizontal and passes through the contact points•The motion of the motorcycle is a rotation about and a translation along the Mozzi axis

angolo di Mozzi= 0°

.

velocità angolare

angolo di rollio

asse di Mozzi

velocità V

traiettoria rettilinea

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?

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00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a29Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante

l’inserimento in curva?

Caso particolare: solo moto di imbardata (traiettoria circolare)

•The Mozzi axis is vertical and passes through the turn centre•The motion of the motorcycle is a rotation about the Mozzi axis

..

V

angolo di Mozzi= 90°velocità angolare

angolo di rollio costante

zs

T = centro di curvatura

asse di Mozzi

velocità V

traiettoria circolare

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– F

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re 2

00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a30

Caso generale

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?

= angolo di Mozzi

.

.

velocità angolare di rollio

velocità angolare di imbardata

angolo di rollio

asse di Mozzi

traccia della traiettoriadell'asse di Mozzi

traiettoria del centro di curvatura

T = centro di curvatura

velocità V

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00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a31Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante

l’inserimento in curva?

Entrata lenta in curva

Traccia asse di Mozzi

traiettoria

Centro di curvatura

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00

5 –

La F

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la M

oto

c ic l

ett

a32Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante

l’inserimento in curva?

Entrata veloce in curva

Traccia asse di Mozzi

traiettoria

Centro di curvatura

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00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a33

Entrata in curva, pista di Adria: RSV 1000 Aprilia

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?

-60 -40 -20 0 20 40 600

10

20

30

40

50

60

2

34

5678

1011

1

traccia a sinistra: manovra di controsterzo

traccia dell'asse di Mozzi

traiettoria

centro di curvatura

9

1011

7

23

4

56

7 8

9 10

11

12

-120

0

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Moz

zi a

ngl

e [°

] imbardata verso destra-30

0

30

-30

0

30

imbardata verso destra

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

vel.

imb

ard

ata[

°/s]

dest

rasi

nist

ra

vel.

roll

io [

°/s]

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re 2

00

5 –

La F

isic

a e

la M

oto

c ic l

ett

a34

Slalom, passo =14 m

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante una manovra di slalom?

Traccia asse di Mozzi

traiettoria

Centro di curvatura

Centro di curvatura

Traccia asse di Mozzi

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00

5 –

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ett

a35

La fisica e la motociclettaFina parte 1°

INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza