MONDO ACCADEMICO

Un design efficace nelle sospensioni di veicoli leggeri

Un interessante intervento sull'utilizzo del polietilene ad alto peso molecolare da parte di un gruppo di docenti e ricercatori dell'Università di Bologna

La rubrica "Mondo Accademico" estende i propri orizzonti a nuove collaborazioni. Questa volta ospitiamo un prezioso e interessante intervento da parte di un gruppo di docenti e ricercatori dell'Università di Bologna.

di Cristiano FRAGASSA, Giangiacomo MINAK, Tommaso M. BRUGO *

In alcune applicazioni più all’avanguardia dell’ingegneria strutturale, come nel caso dei veicoli ultraleggeri, il progettista deve utilizzare materiali con rigidezza e resistenza specifiche quanto più elevate possibili al fine di ridurre al minimo i pesi. La leggerezza, infatti, permette di migliorare l'efficienza del veicolo, un fattore fondamentale per una mobilità davvero sostenibile.

Allo stesso tempo, focalizzandoci sui sistemi di sospensione, i progettisti devono prestare estrema attenzione a ridurre ogni tipo di dissipazione di energia. La vettura deve funzionare in modo stabile rispetto alle asperità stradali, le vibrazioni devono essere minime, l'inerzia rispetto ai cambi di velocità e di direzione deve essere limitata. Significa, in pratica, che il loro design deve essere diretto a creare sospensioni rigide, leggere e precise. La possibilità di ottenere questi risultati è legata anche alla scelta del materiale.

Considerando i noti diagrammi di Ashby, è piuttosto comune limitare tale scelta ai compositi rinforzati da fibre di carbonio, in forma di sandwich quando si è in presenza di carichi di flessione o di energie da assorbire, e di laminati negli altri casi, mentre resta salvo l’impiego dei metalli qualora altre condizioni sconsigliano i compositi (come per elevate sollecitazioni da contatto, carichi trasversali, e così via).

Tuttavia, laddove siano presenti anche specifici vincoli geometri o funzionali, altri materiali, quali i polimeri ad alte prestazioni, possono rivestire una interessante valenza.

Tra questi, una speciale alternativa sembra essere fornita dal polietilene ad altissimo peso molecolare. Si tratta di un sottogruppo del polietilene termoplastico, caratterizzato da catene estremamente lunghe che portano ad un materiale molto tenace e resistente.

Conosciuto tramite vari nomi commerciali, tra cui Dyneema®, il suo impiego si è va progressivamente estendosi a molteplici settori per merito delle sue notevoli proprietà meccaniche. Con una densità di 975 kg/m3, un modulo elastico di 110 GPa e una resistenza alla trazione di 3400 Mpa, le strisce di Dyneema® sono abbastanza comuni in quelle applicazioni sportive che richiedono leggerezza e resistenza estreme come parapendio, paracadutisto, navigazione competitiva. Sono impiegati anche nel tiro con l'arco, la pesca, l’arrampicata sportiva dove si fanno anche apprezzare per la resistenza all'abrasione.

Durante le nostre ricerche abbiamo dimostrato, forse per la prima volta, come questo particolare materiale possa rappresentare una valida soluzione persino per realizzare sospensioni automobilistiche ad alte prestazioni. In particolare, le strisce di Dyneema®, rigide a trazione ma prive di resistenza rispetto ai carichi trasversali, hanno permesso di assicurare traiettorie cinematiche precise, funzionalità nuove e ottime prestazioni complessive pur in presenza di sospensioni eccezionalmente leggeri.

Queste strisce hanno ridotto il peso dell'88% rispetto alle soluzioni di design classico con funzioni simili, offrendo, allo stesso tempo, elevata rigidità e precisione nei movimenti. È stata condotta una campagna sperimentale per valutare il comportamento del materiali rispetto a carichi statici e dinamici con proprietà meccaniche che si sono rivelate necessarie per una corretta progettazione e un utilizzo del dispositivo.

Le strisce sono state quindi utilizzate quali elementi di connessione nella progettazione di una sospensione innovativa e leggerissima, tutta in composito rinforzato da fibra di carbonio, installata poi su un veicolo solare multi-passeggero, progettato e sviluppato dall'Università di Bologna in collaborazione con l'associazione Onda Solare. Questo veicolo, un prototipo da corsa a quattro posti, nel luglio 2018 ha vinto l'American Solar Challenge percorrendo 2.700 km attraverso la solo energia solare. Questo risultato eccezionale è stato possibile grazie ad un valido compromesso tra le diverse scelte progettuali, tra cui, appunto, l’utilizzo di sottilissimi strisce di Dyneema® pure in presenza di un carico dinamico di 650 kg sulle 4 sospensioni.

In termini ingegneristici, prima di arrivare all’impiego del componente, è stato necessario sviluppare (sperimentalmente) un modello di materiale in grado di prevedere il comportamento delle strisce di Dyneema® sotto carichi uniassiali ed utilizzare tale modello per applicare una deformazione residua adeguata a sostenere il carico previsto. In questo modo, è stato possibile sviluppare un sistema a biella, estremamente perfomente, senza utilizzare soluzioni metalliche quali aste in alluminio e connessioni sferiche.

Ringraziamenti
Questa ricerca è stata finanziata dal Ministero Italiano degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionale (MAECI) nell'ambito del Programma Esecutivo di Cooperazione Italia-Serbia, progetto ‘Two Seats for a Solar Car’. Ulteriori dettagli sono disponibili in Minak G., Brugo TM, Fragassa C: Ultra-high-molecular-weight polyethylene rods as an effective design solution for the suspensions of a Cruiser-Class Solar Vehicle. International Journal of Polymer Science, 2019, 8317093.

* Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Bologna

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