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[IL TELAIO – ECCO I MOTIVI DELLE NOSTRA SCELTE] 1 febbraio 2020
Vitalber s.a.s. di Marco Nicola Vitale & C. – Comerio, Italia 1
Un miglior materiale vuol dire sempre maggior durata nel tempo,
ma anche più rigidità e migliori prestazione.
Progettare un monociclo può essere fatto in molti modi,
ma solo pochi di essi sono quelli giusti.
Innanzitutto la FORMA che definisce l’utilizzo.
Nel monociclo possiamo dividere i telai in due macro-famiglie:
telai QUADRI, fatti per eseguire trick che richiedono un appoggio dei piedi (Freestyle,
Flatland, One Foot Race),
telai TONDI, che eliminano il fastidio dello spigolo quando l’uso non richiede appoggi sul
telaio (mountain unicycling, trial, road).
Ovviamente esiste l’uso “COMBINATO” soprattutto nella taglia 19”-20”, dove è giustificato l’uso
di un telaio quadro anche per specialità dove si potrebbe farne a meno.
La prima caratteristica da considerare è la ROBUSTEZZA,
che deve permettere l’utilizzo dello strumento senza incorrere in cedimenti. La robustezza richiesta varia a seconda dell’utilizzo, del peso e della forza del monociclista. Purtroppo molte volte abbiamo visto monocicli, seppur
sufficienti da un punto di vista di robustezza per una ragazza
di ca. 50 kg, rompersi nel giro di pochi minuti se prestati ad
un amico con una struttura fisica più forte e pesante.
La prossima caratteristica importante è la RIGIDEZZA della
struttura. La rigidezza è determinata da:
MATERIALE, cioè dipende dalla quantità di materiale e
dal materiale stesso.
FORMA DELLA SEZIONE, in un tubo la forma della
sezione definisce la rigidezza e la robustezza finale. All'aumentare del diametro a parità di peso, diminuisce lo spessore ed aumentano rigidezza e robustezza (non possiamo usare spessori troppo ridotti perché il monociclo è spesso sottoposto ad urti imprevedibili.
VINCOLI, facciamo un esempio: a parità di forma e materiale un palo vincolato ai due estremi
ha una maggiore rigidezza di un palo ancorato ad un solo estremo.
Cosa è la RIGIDEZZA?
In generale si dovrebbe usare il termine
rigidità quando si parla di un
materiale, di rigidezza quando si parla
di una struttura.
Un'alta rigidità si ricerca quando si
vogliono basse deformazioni,
una bassa rigidità quando è richiesta
flessibilità.
Cosa è la ROBUSTEZZA?
Questo aggettivo, che deriva dal
Latino “robustus”, si riferisce a ciò che
è solido, forte o vigoroso. E’ la capacità
di un corpo di opporsi alla
deformazione elastica provocata
da una forza applicata, quindi di
resistere bene alle sollecitazioni, senza
flettere, deformarsi né rompersi.
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Vitalber s.a.s. di Marco Nicola Vitale & C. – Comerio, Italia 2
Più un telaio è rigido, più veloce e precisa sarà la sua risposta ai nostri impulsi/comandi.
Come un bisturi, il telaio deve essere prima di tutto preciso. Una lama che si piega o vibra renderà
il lavoro del chirurgo difficile o impossibile. Lo stesso vale per il nostro monociclista che,
diventando sempre più bravo, avrà sempre di più l’esigenza di eseguire determinati Trick con la
precisione di un chirurgo.
Nel Freestyle, nel Trial, ma anche nel Mountain Unicycling (Muni) un telaio “morbido” o
“flessibile” sarà sempre più inefficace o addirittura
pericoloso.
Gli ultimi due aspetti comunque da considerare
sono il PESO e la DURABILITA’ del monociclo,
che sono il risultato dell’insieme delle scelte del
progettista che dopo aver deciso FORMA –
GRADO DI ROBUSTEZZA – LIVELLO DI
RIGIDITA’, decide tutti i dettagli del progetto,
ovvero: MATERIALI, DIMENSIONI e VINCOLI
che sono gli elementi che definiscono il telaio.
A parità di peso, l’alluminio è più rigido e costoso, l’acciaio è più economico e più flessibile.
* i telai Mad4One in acciaio (stiamo parlando della famiglia URC, acronimo di UnaRuota.Com), sono realizzati
con l‘ acciaio al cromo-molibdeno Cr-Mo 4130, una lega di acciaio che garantisce una maggiore resistenza al
carico, un peso specifico inferiore e una migliore resistenza alla trazione rispetto all'acciaio non legato.
Cosa è la DURABILITA’ di un materiale?
La durabilità o durevolezza o durata nel tempo
è la capacità di un prodotto di rimanere
funzionante senza eccessive operazioni di
manutenzione o riparazioni, nelle condizioni
normali del suo ciclo di vita. Questa può essere
misurata in diversi modi, dipendenti dal campo
di applicazione. Per esempio in anni di vita, ore
di uso o cicli operativi.
…. E ora due parole sull’ ALLUMINIO
L’alluminio è di gran lunga il più giovane tra i metalli
di uso industriale, essendo stato prodotto per la prima
volta su larga scala industriale poco più di 100 anni fa.
Il suo simbolo è Al.. Le sue caratteristiche:
leggero (ha un peso specifico di circa un terzo
dell’acciaio),
resistente agli urti,
durevole,
resistente in modo eccellente alla corrosione
riciclabile al 100%.
Per migliorare le caratteristiche meccaniche si
aggiungono all'alluminio determinati quantitativi di
elementi alliganti (avremo le leghe di alluminio).
Quando si combina con altri elementi, le caratteristiche
di questo metallo, che allo stato puro è tenero e duttile,
cambiano radicalmente.
Due parole sull’ ACCIAIO
Il termine acciaio indica in maniera generica una lega
tra 2 elementi principali: ferro e carbonio.
Alla lega di ferro e carbonio, che si caratterizza per le
sue notevoli proprietà meccaniche di resistenza agli
sforzi, possono essere aggiunti altri elementi quali p.es.
silicio, conferisce un‘elevata resistenza ma riduce la
saldabilità;
rame, ostacola la corrosione;
manganese, aumenta la durezza ma diminuisce
l'elasticità;
cromo*, aumenta la durezza e non riduce
l'elasticità.
La composizione della lega definisce anche la
classificazione dell’acciaio. Abbiamo infatti gli Acciai
comuni al carbonio (impiegati in applicazioni che
non hanno particolari esigenze) e gli Acciai Speciali
(che conferiscono alla lega proprietà particolari).
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Quindi parlare di alluminio e di acciaio non è sufficiente, perché esistono innumerevoli leghe di
alluminio e di acciaio con caratteristiche anche molto differenti tra di loro. La scelta del materiale
"giusto" è un elemento molto importante dell'intero progetto di un telaio.
Un’altra caratteristica spesso ignorata è il concetto di FATICA DEL MATERIALE.
Ogni materiale ha due dati che lo caratterizzano:
- Il carico di snervamento, ovvero se applico una forza
superiore a quella indicata (carico) il materiale si deforma
e non ritorna più alla forma originale (si piega);
- Il carico di rottura, ovvero se applico una forza
superiore a quella indicata (carico), il materiale si rompe,
il carico di rottura è sempre superiore al carico di
snervamento.
Se però applico una forza di poco inferiore al
carico di snervamento il materiale mantiene la
sua forma, ma al suo interno si creano delle
micro-fratture.
Con il protrarsi dell’utilizzo della struttura queste
micro-fratture porteranno alla rottura del
materiale senza aver mai superato né il carico di
snervamento, né il carico di rottura.
Questo è in parole semplici il concetto di FATICA,
che spesso constatiamo sia con i raggi in acciaio,
sia con altre parti in alluminio.
Molti monociclisti hanno vissuto questa
esperienza: “… ho fatto le stesse cose di sempre e
oggi si è rotto, ma io non ho fatto nulla di
eccessivo, come mai si è rotto? ...”.
Questo ci dice che tutti i materiali, a causa della
FATICA, hanno una durata limitata nel tempo,
che dipende dalla qualità del materiale e da tutti
gli elementi della progettazione.
In particolare il danneggiamento per fatica procede
attraverso i seguenti stadi:
1. innesco della frattura: questo primo stadio, detto
anche “assestamento microstrutturale” della
componente plastica del materiale , stabilizza
alcune caratteristiche meccaniche e fisiche dello
stesso,
2. Nella successiva fase le microintrusioni e
microestrusioni determinano l'innesco del
danneggiamento per fatica. Infatti sul fondo di
tali microintrusioni gli sforzi risultano amplificati
per effetto d'intaglio, per cui il materiale in quel
punto cederà facilmente e si formeranno delle
microcricche,
3. Propagazione della cricca: la cricca si propaga
per un piccolo tratto lungo la direzione dei difetti di
estrusione, poi il suo cammino prosegue in
direzione ortogonale alla direzione esterna,
4. frattura finale: l'avanzare della cricca porta ad
una progressiva diminuzione di sezione resistente;
quando la sezione resistente si riduce e la
dimensione della cricca raggiunge il valore della
sezione critica del materiale, si ha la frattura
finale di schianto per sovraccarico.
Per maggiori informazioni ecco il link:
https://it.wikipedia.org/wiki/Fatica_(scienza_dei_materi
ali)
La FATICA è un fenomeno meccanico di
progressiva degradazione di un
materiale sottoposto a carichi variabili nel
tempo che può portare alla
sua rottura (cedimento a fatica o rottura
per fatica) anche se sia rimasto nel suo
limite d'elasticità, nonostante durante la
vita del materiale l'intensità massima dei
carichi si sia mantenuta ad un valore
sensibilmente inferiore alla tensione di
rottura o di snervamento del materiale
stesso.
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Per questo motivo la scelta del materiale e della lega da adottare è una scelta fondamentale per
il risultato finale del nostro progetto.
L’alluminio è più rigido ma meno forte dell’acciaio e quindi è più soggetto alla FATICA.
Ma ritorniamo al nostro telaio:
Il disegno di un telaio di monociclo è sostanzialmente una” Y” rovesciata.
Immaginiamo di dover piantare il nostro ombrellone da spiaggia:
la solidità del nostro ombrellone dipende molto dalla profondità del foro nel quale lo andrò a
posizionare (che denominerò “profondità dell’incastro”).
Ma anche se uso un basamento rigido la profondità del foro è comunque e sempre un elemento
importante. Con un basamento non sufficientemente profondo l'incastro sarà instabile o fragile.
Ritorniamo al punto di connessione tra il tubo verticale e le due gambe del telaio:
come per il nostro ombrellone anche nel telaio la profondità dell’incastro tra il tubo verticale e la
base è molto importante.
Il punto più sollecitato del telaio è il punto centrale delle 3 gambe
(gamba destra-tubo verticale-gamba sinistra).
Qui entrano in scena i VINCOLI (che sono uno dei tre elementi
che determinano la RIGIDEZZA della struttura).
Nel monociclo le due gambe sono vincolate tra loro in basso
attraverso il mozzo e in alto, sia in caso di forma quadrata o curva,
al tubo verticale. Questo ci fa capire l’importanza della
connessione con il tubo verticale.
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Gli SPESSORI
I
Il tubo verticale del telaio MAD4ONE realizzato in un pezzo unico ha spessore variabile.In quella
zona e per i primi 8 cm ha infatti uno spessore di 6mm per parte.
La nostra esperienza ci ha insegnato che diminuendo la profondità di incastro gli sforzi in quel
punto diventano così grandi da compromettere la durabilità e spesso anche la robustezza
dell’elemento. Ovvero, con misure inferiore si accorcia molto la vita del telaio rischiando rotture
improvvise.
Naturalmente la profondità dell’incastro da sola non è sufficiente per garantire robustezza e
durabilità. Spessori e qualità del materiale in quel punto
garantiscono il risultato finale.
Il MATERIALE
I telai in alluminio MAD4ONE a forma QUADRA sono
realizzati con la lega di alluminio AL6069-T6, che si
differenzia rispetto al comune AL6061-T6 in questi aspetti:
Resistenza alla deformazione superiore fino a +30%
Maggiore resistenza al carico
Maggiore resistenza al carico in presenza di corrosione
I telai MAD4ONE in alluminio a
forma QUADRA
hanno una profondità d’incastro di
22mm. Questa dimensione è
stata definita in fase di
progettazione considerando anche
la modalità di utilizzo dello
strumento.
Minore è la profondità d’incastro,
minore sarà la distanza tra piede
e pneumatico.
Maggiore è la profondità
d’incastro, più robusto sarà
l’intero strumento.
Questa misura è quindi frutto di
un compromesso tra funzionalità e
robustezza, consapevoli che
misure inferiori compromettono la
tenuta dell'intero telaio.
Per coloro che vogliono approfondire
l’argomento ecco il link allo studio
accademico “ Strengthening in the new
aluminum alloy AA 6069” condotto da S.C.
Bergsma a, M.E. Kassner b,*, X. Li, M.A. Wall,
nel quale vengono analizzate le proprietà
meccaniche della nuova lega alluminio-
magnesio-silicone 6069.
researchgate.net/...Strengthening_in_the_ne
w_aluminum_alloy_AA_6069
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Vitalber s.a.s. di Marco Nicola Vitale & C. – Comerio, Italia 6
Gli SPESSORI
Il MATERIALE
I telai in alluminio MAD4ONE tondi sono realizzati con la lega
di alluminio AL7005-T6 che rispetto al più comune
AL6061-T6 ha una resistenza al carico maggiore del
12% e una resistenza alla fatica maggiore del 56%.
Naturalmente poniamo una grande attenzione anche al
rapporto diametro-spessore dei tubi.
Anche in questo caso il tubo verticale è a spessore variabile e
nella zona dell’incastro ha un diametro di ben 40mm e uno
spessore di 3.6mm per parte, che conferiscono grande
rigidezza e robustezza all’intera struttura.
I telai in alluminio a forma
TONDA
non hanno i vincoli di utilizzo del
telaio quadro. Per questo motivo
nei telai MAD4ONE abbiamo
potuto realizzare una profondità
di incastro più importante:
36mm.
Questa dimensione riduce in
modo rilevante il carico
applicato in quella zona
garantendo rigidezza e durabilità
eccezionali.
https://en.wikipedia.org/wiki/7005_aluminium_alloy
The aluminum alloy AL7005: It has an
Ultimate Tensile Strength of 350MPa, a
Fatigue Strength of 150MPa and a density
of 2.78g/cm³ compared to a
Ultimate Tensile Strength of 310MPa and
Fatigue Strength of 96.5 MPa and a density
of 2.70g/cm³ for 6061 aluminum alloy.
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Nel mondo del Mountain Unicycle (Muni) un altro punto
sollecitato, oltre alla profondità dell’incastro tubo verticale-
gambe, è la zona dove è vincolato il freno a disco.
In questi anni l’uso del monociclo da Muni è cambiato
molto, grazie al freno a disco.
Di fatto la gestione dell’equilibrio (in avanti e in dietro) è
passata dai pedali al freno, questo però presuppone un
utilizzo molto più continuo del freno e richiede una
reattività del sistema frenante precisa e puntuale.
Il dimensionamento della gamba e del supporto di
montaggio del freno a disco nonché la qualità del materiale
e delle saldature sono gli elementi che caratterizzano i telai
MAD4ONE.
Il freno a disco nel punto in cui è
vincolato al telaio sviluppa carichi
altissimi e spesso anche alte
temperature. La commistione di
questi due effetti porta ad un
affaticamento del materiale molto
veloce, provocando inizialmente
vibrazioni che compromettono la
puntualità della frenata al limite
della pericolosità e successivamente
alla rottura del telaio o del supporto
di montaggio del freno.
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Vitalber s.a.s. di Marco Nicola Vitale & C. – Comerio, Italia 8
Concludiamo con due parole su due altri materiali di alta gamma che a nostro avviso nel mondo
del monociclo oltre all’alto costo hanno delle caratteristiche che li rendono poco interessanti ….
CARBONIO
La fibra di carbonio può avere molti intrecci, e a seconda di questi e della lavorazione si possono
ottenere a parità di peso caratteristiche di resistenza e di torsione ben differenti.
I punti di forza del carbonio sono: la resistenza alla trazione, la rigidezza, l’alta resistenza alla
fatica, la resistenza all’invecchiamento e alla corrosione, ma ha anche dei punti deboli: ovvero la dinamica di rottura. E’ sufficiente un urto anche modesto nel punto sbagliato per rompere la
resina che racchiude le fibre di carbonio e compromettere istantaneamente la solidità del telaio.
Alcuni esempi:
Un manubrio da bici in alluminio si piega se ci si schianta contro un albero, uno in carbonio
può fessurarsi, ma allo stesso tempo mantenere una solidità ed un’apparente integrità
strutturale. Quando però andremo a caricare l’elemento con sollecitazioni importanti (es
atterraggio da un salto), questo potrà cedere di schianto.
Stringere un telaio in carbonio in una morsa porta bici fissata al tettuccio dell’auto, può
provocare la rottura delle fibre senza che queste presentino un qualche difetto.
In questi due casi parliamo di utilizzi impropri, ovvero sollecitazioni o impatti anche elevati sulla
struttura in carbonio per i quali la stessa non è stata progettata e realizzata.
Con il carbonio puoi fare cose rigidissime o flessibilissime, un classico esempio fuori dal nostro
mondo sono le canne da pesca, un pescatore ti può raccontare però quanto sono delicate ….
TITANIO
Esistono diversi tipi di titanio (grado 1,2,3, 4) e leghe di titanio (grado 5 al 38). Come per altri
materiali le caratteristiche meccaniche nonché di lavorabilità e saldabilità variano molto a seconda
del tipo di titanio utilizzato. Ha comunque un peso specifico a metà strada tra l’alluminio e l’acciaio
mentre le caratteristiche meccaniche variano molto a secondo del tipo ma non superano mai le
leghe di acciaio.
Considerando l’elevato costo del materiale e delle lavorazioni nonché il rapporto peso-prestazioni
meccaniche riteniamo che la giusta lega di alluminio e il corretto progetto possano oggi offrire
caratteristiche analoghe a costi molto inferiori.
Ultima cosa, ma non per importanza …..
la LIBERTA’ conta!
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Vitalber s.a.s. di Marco Nicola Vitale & C. – Comerio, Italia 9
Nel nostro caso se parliamo di “Libertà” intendiamo “Compatibilità”.
Il monociclo è composto da 3 insiemi di elementi (sella-telaio-ruota).
La nostra grande attenzione è quella di rispettare il più possibile gli standard che si sono affermati nel
nostro Mondo nel corso degli anni. Cioè tutti i componenti che realizziamo hanno un’interfaccia standard in
modo tale che si possono montare senza problemi con altre parti presenti sul mercato.
Solo il Mad4One RACE EVOLUTION, nato nel 2011, (5 medaglie d’oro con S.Kobayashi al Mondiale 2012 a
Bressanone - Unicon XVI), e ulteriormente perfezionato nel 2018 (8 medaglie d’oro con Niklas Wojtek e
Alina Czimek al mondiale 2018 in Corea – Unicon XIX), ha un’interfaccia appositamente sviluppata.
Perché in questo caso ci siamo allontanati dal concetto ISIS e quindi dall’approccio standard?
Per aumentare l’efficacia della spinta sui pedali abbiamo voluto ridurre la distanza dei piedi dalla linea di
marcia e per raggiungere questo obiettivo abbiamo realizzato un’interfaccia mozzo-pedivella meno
ingombrante del sistema di aggancio ISIS.