ITTO20130791A1

ITTO20130791A1 - Dispositivo aerodinamico per uso motociclistico.

Info

Publication number: ITTO20130791A1
Application number: IT000791A
Authority: IT
Inventors: Henrik Alfredsson; Alessandro Rossetti; Vojtech Sedlak; Alessandro Talamelli
Original assignee: Univ Bologna Alma Mater
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-03
Also published as: WO2015049654A1

Description

DESCRIZIONE

"Dispositivo aerodinamico per uso motociclistico"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo aerodinamico per un motociclo, comprendente almeno una coppia di porzioni alari atte a produrre deportanza, in cui dette porzioni alari sono disposte da lati opposti su una carenatura anteriore del motociclo, essendo direttamente od indirettamente collegate ad essa, e sono posizionate in modo tale per cui ciascuna di esse è destinata a trovarsi, durante la marcia del motociclo, sostanzialmente davanti ad un rispettivo arto inferiore di un conducente a cavallo del motociclo, ed in prossimità di esso, dette porzioni alari presentando un angolo di diedro negativo. Tali porzioni alari possono essere fissate sulla carenatura direttamente alla radice dell’ala o attraverso l’uso di supporti o puntoni denominati “struts”.

È noto come l’utilizzo di ali in campo automobilistico incrementi le prestazioni dell’autovettura sia in frenata che in percorrenza di curva. Ciò è dovuto ad un incremento della forza verticale che migliora il comportamento degli pneumatici, evitando che le azioni inerziali spingano il veicolo fuori strada.

Non è possibile utilizzare dispositivi analoghi in campo motociclistico. Questo perché un motociclo percorre la curva con angoli di sbandata notevoli. L’ala eventualmente istallata sul telaio del motoveicolo fornirebbe una forza che oltre ad avere una componente verticale di deportanza sarebbe caratterizzata dalla presenza di una componente centrifuga che annullerebbe i benefici ottenuti.

Per risolvere tale problema è stato proposto di dotare il motoveicolo di ali mobili in grado di mantenersi sempre parallele al terreno durante le percorrenze in curva. Questo tipo di dispositivi ha una complicazione legata al fatto che devono prevedere sensori di orientamento, quali giroscopi, ecc. Inoltre, nel caso dei motocicli da competizione i dispositivi ad ala mobile sono banditi dai regolamenti.

Sono state inoltre proposte configurazioni di dispositivi aerodinamici per motocicli con porzioni alari aventi un angolo di diedro negativo.

Ad esempio, la pubblicazione giapponese JPH04201792 descrive un dispositivo aerodinamico configurato per aumentare la forza d’attrito fra gli penumatici e la superficie stradale, principalmente durante la marcia su rettilineo. Tale dispositivo prevede ali aventi un angolo di diedro negativo, configurate in modo tale che la linea d’azione della risultante delle forze aerodinamiche passi attraverso un punto di contatto fra lo pneumatico e la superficie stradale.

Anche il brevetto US 3971 452 descrive un dispositivo aerodinamico per migliorare le condizioni di marcia ad alta velocità dei motocicli; tale dispositivo comprende una superficie alare montata sul motociclo per produrre una deportanza approssimativamente nel piano verticale passante per l’asse di sterzo della ruota anteriore.

Entrambi i dispositivi suddetti sono affetti dal problema sopra discusso relativamente ai dispositivi ad ala fissa, ovvero in percorrenza di curva producono, oltre alla componente verticale di deportanza, una componente centrifuga indesiderata.

Uno scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo aerodinamico migliorato, in grado di ridurre, almeno alle alte velocità, l’intensità della suddetta componente centrifuga durante la percorrenza di curva.

In vista di tale scopo, costituisce oggetto dell’invenzione un dispositivo aerodinamico del tipo definito all’inizio, in cui l’angolo di diedro negativo delle porzioni alari è pari ad almeno 30°.

In un dispositivo aerodinamico secondo tale idea di soluzione, le porzioni alari ai lati della carenatura hanno un comportamento in curva differenziato, legato ad un effetto di interazione delle porzioni alari con il corpo del pilota (in particolare gomito e ginocchio). Durante la percorrenza in curva del motoveicolo, ad alta velocità, la porzione alare esterna è posizionata pressoché in posizione orizzontale massimizzando la deportanza prodotta. Inoltre la posizione del pilota è tale da non ostruire minimamente il suo funzionamento. Al contrario, il pilota con il suo posizionamento coricato verso l’interno della curva va ad ostruire la scia della porzione alare posizionata internamente, annullando quasi interamente la forza centrifuga prodotta da tale porzione alare.

Il posizionamento asimmetrico del pilota durante la percorrenza del motoveicolo in curva differenzia pertanto le prestazioni delle due porzioni alari installate sulla carena fornendo una risultante delle forze diretta sostanzialmente in direzione verticale. Ciò è ottenuto con porzioni alari che sono fisse, e pertanto non è richiesta la presenza di alcun sensore di velocità o di posizionamento del motoveicolo per governare l’inclinazione delle porzioni alari. Vantaggiosamente, possono essere utilizzati profili alari standard attingendo al data-base presente in letteratura.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo secondo l'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una rappresentazione di un modello semplificato delle forze agenti su un motociclo provvisto di un dispositivo aerodinamico secondo l’invenzione, durante la percorrenza di una curva (vista frontale);

- le figure da 2a a 2i sono viste frontali schematiche di un motociclo dotato di diverse forme di realizzazione di un dispositivo aerodinamico secondo l’invenzione;

- la figura 2j è una vista in pianta di un motociclo dotato di un dispositivo aerodinamico secondo l’invenzione; e

le figure 3a e 3b sono immagini di un’analisi fluidodinamica computazionale di un motociclo provvisto del dispositivo aerodinamico di figura 2c, durante la percorrenza di una curva.

Con riferimento alla figura 1 è rappresentata, secondo una vista frontale, la sagoma di un motociclo (con pilota) durante la percorrenza di una curva. In tale figura, l’asse x punta nella direzione dell’accelerazione centripeta, mentre l’asse y rappresenta la direzione verticale. L’asse z punta al difuori del piano della figura. Per semplificare il modello, si assume un flusso rettilineo d’aria nella direzione dell’asse z.

I vettori indicati con ܨ<F>rappresentano forze nelle direzioni x ed y, mentre i vettori indicati con ݎԦ rappresentano le posizioni. Le componenti di forza più importanti sono quelle agenti sul motoci-clo e sul conducente; il vettore di forza ܨ agisce sul motociclo, mentre il vettore di forza agiscesul conducente. In entrambi vi è un contributo dovuto all’accelerazione centrifuga ed un contributo dovuto alla gravità; tali vettori si possono quindi esprimere nel modo seguente:

ove ed sono rispettivamente la massa del motociclo e del conducente, è il raggio della curva, è la velocità del motociclo, e è l’accelerazione di gravità.

Per un motociclo convenzionale, tali forze sarebbero le uniche agenti nell’esempio semplificato in considerazione (oltre alle forze normali risultanti).

Nel motociclo secondo l’invenzione è tuttavia prevista una coppia di porzioni alari, le quali sono disposte da lati opposti su una carenatura anteriore del motociclo; tali porzioni alari presentano un angolo di diedro negativo Per angolo di diedro si intende convenzionalmente il complemento dell’angolo formato tra il piano alare ed il piano di simmetria del veicolo; pertanto, un angolo di diedro negativo significa che l’angolo di diedro definito fra il piano alare ed un piano ortogonale al piano di simmetria del motociclo è disposto al disotto di tale piano ortogonale.

Con le porzioni alari suddette il sistema di forze comprende anche il contributo dovuto allecomponenti di forza ed associate alla depor-tanza prodotta dalle porzioni alari:

ove è il coefficiente di portanza, ߩ è la densità dell’aria, ܣ௪è la superficie alare di una porzione alare, e sono gli angoli di inclinazione delle due porzioni alari rispetto al sistema di coordinate x-y, i quali sono dati dalle seguenti espressioni:

ove è l’angolo di piega del motociclo.

Il coefficiente presente nell’espressione (4) è un coefficiente di interferenza che tiene conto della differenza di comportamento fra la porzione alare disposta dal lato esterno rispetto alla curva e la porzione alare disposta dal lato interno rispetto alla curva, differenza dovuta al posizio namento asimmetrico del conducente durante la percorrenza della curva; il corpo del conducente viene infatti a trovarsi sulla scia della porzione alare interna, interferendo con essa. Un valore 0 per il coefficiente sta ad indicare che la porzione alare sviluppa la propria deportanza senza essere disturbata. Un valore 1 indica che la porzione alare in questione non genera alcuna portanza.

In figura 1 è inoltre rappresentato un centro di pressione, ovvero un punto ove tutte le forze di portanza si intersecano. Un vettore della risultan-te delle forze di portanza è pertanto applicatosu tale punto ad una distanza dall’origine del sistema di riferimento (coincidente con l’asse di rollio), definendo un angolo rispetto al pianodi simmetria del motociclo. Il vettore è funzio-ne dell’angolo di piega e del coefficiente di interferenza:

(7)

In corrispondenza del punto di contatto fra la ruota del motociclo agiscono inoltre una forza normale avente modulo ed una forza di attrito statico avente modulo

La risultante delle forze agenti sul moto-ciclo è pertanto data da:

mentre il momento di rollio del motociclo è dato da:

All’equilibrio, Gli inventorihanno effettuato una serie di calcoli e simulazioni basati su tale sistema di equazioni, per verificare l’effetto dell’interferenza dovuta al corpo del conducente, sul funzionamento aerodinamico delle porzioni alari applicate sul motociclo. In base a tali calcoli è risultato essenziale, affinché si abbia un’efficace interferenza, che tali porzioni alari siano posizionate in modo tale per cui ciascuna di esse è destinata a trovarsi, durante la marcia del motociclo, sostanzialmente davanti ad un rispettivo arto inferiore del conducente, ed in prossimità di esso.

Il fatto di avere porzioni alari ad angolo di diedro negativo consente di dare al motociclo una deportanza addizionale. Tale deportanza aumenta la forza normale verticale . Ciò produce un duplice vantaggio: a parità di coefficiente di attrito statico aumenta la componente della forza di attrito migliorando la percorrenza in curva; oppure al degradare dello stato degli pneumatici (fenomeno tipico di fine gara) con conseguente diminuzione di garantisce il mantenimento di una adeguata forza di attrito.

Un altro effetto importante è che le porzioni alari ad angolo di diedro negativo possono aiutare a ridurre l’angolo di piega generando un momento di rollio negativo. Tale momento contrasta il momento provocato dalle forze centrifughe agenti sul centro di massa del motociclo e del conducente.

Ciò permette al conducente di percorrere la curva più velocemente, mantenendo lo stesso angolo di piega di un motociclo convenzionale, od in alternativa di mantenerne la stessa velocità, ma con un assetto più verticale che permette ingresso ed uscita curva più rapidi. I benefici forniti dalle porzioni alari ad angolo di diedro negativo sono tanto più importanti quanto più il coefficiente di interferenza si avvicina ad 1.

Gli inventori hanno stimato che le porzioni alari devono avere un angolo di diedro negativo pari ad almeno 30°. Un angolo di diedro inferiore non è auspicabile, in quanto con gli angoli di piega che normalmente vengono raggiunti alle alte velocità, la porzione alare sul lato esterno della curva produrrebbe una certa componente di forza laterale negativa. È stato inoltre calcolato che le porzioni alari devono essere piuttosto grandi per produrre effetti significativi; un angolo di diedro elevato permette anche di avere un ingombro laterale inferiore a parità di dimensioni alari, il che è desiderabile in particolare nei motocicli da competizione, le cui dimensioni sono soggette a vincoli stringenti. In figura 2a è rappresentato schematicamente un motociclo 1, la cui carenatura anteriore 10 presenta una coppia di porzioni alari 20 secondo l’invenzione. Nell’esempio di figura 2a le porzioni alari 20 sono direttamente collegate alla carenatura, in corrispondenza della loro estremità superiore o radice, ma possono essere supportate anche da puntoni o “struts”. Le porzioni alari 20 possono presentare inoltre alette terminali 23 sulla loro estremità libera, per sfruttare positivamente l’interazione con i vortici prodotti in corrispondenza di tale estremità. Nell’esempio di figura 2a le alette terminali sono libere; in una forma di realizzazione alternativa possono essere collegate alla carenatura fungendo anche da “struts”. Tali alette terminali od eventualmente gli “struts” non sono dedicati alla generazione di deportanza.

Un modo per aumentare la superficie alare, e quindi l’effetto di deportanza, senza aumentare ulteriormente l’ingombro laterale, consiste nel disporre una pluralità di porzioni alari 20’; 20’’’ secondo l’invenzione secondo una disposizione a multiplano (si vedano le figg. 2b e 2d), ovvero con più porzioni alari 20’; 20’’’ sovrapposte su ciascun lato della carenatura anteriore 10. Tale disposizione avrebbe però il difetto, a parità di deportanza, di produrre una maggiore resistenza aerodinamica. Negli esempi delle figg. 2b e 2d le porzioni alari 20’; 20’’’sono direttamente collegate alla carenatura, ma possono essere supportate anche da puntoni o “struts”. Le porzioni alari 20’; 20’’’ possono presentare inoltre alette terminali 23’; 23’’’ sulla loro estremità libera, per sfruttare positivamente l’interazione con i vortici prodotti in corrispondenza di tale estremità. Negli esempi delle figg. 2b e 2d le alette terminali sono libere; in una forma di realizzazione alternativa possono essere collegate alla carenatura fungendo anche da “struts”. Tali alette terminali od eventualmente gli “struts” non sono dedicati alla generazione di deportanza.

In figura 2c è illustrata una forma di realizzazione particolarmente preferita dell’invenzione. Secondo tale forma di realizzazione, ciascuna porzione alare 20’’ comprende una pluralità di sezioni alari 21’’, 22’’ atte a produrre deportanza, le quali sono disposte consecutivamente lungo la direzione longitudinale della porzione alare 20’’, e presentano un angolo di diedro negativo crescente dalla radice verso l’estremità libera della porzione alare 20’’. Ciascuna delle sezioni alari può essere sostanzialmente piana, per cui la porzione alare da esse costituita è sostanzialmente segmentata, oppure la porzione alare può estendersi in modo curvilineo, definendo una concavità rivolta verso il piano di simmetria del motociclo (si veda la fig. 2i in cui le porzioni alari sono indicate con 320; tale configurazione può considerarsi un caso limite del precedente, in cui le sezioni alari presentano estensione longitudinale puntiforme).

In tale disposizione, la porzione alare 20’’ potrebbe avere un angolo di diedro minimo, in corrispondenza della radice od estremità superiore della porzione alare, compreso fra 30° e 60°, ed un angolo di diedro massimo, verso l’estremità libera od estremità inferiore della porzione alare, compreso fra 70° e 110°.

La forma di realizzazione della fig. 2c unisce il beneficio di avere angoli di diedro multipli, a quello di avere una superficie alare maggiore in spazi laterali ristretti. Nell’esempio di figura 2c le porzioni alari 20’’ sono direttamente collegate alla carenatura, ma possono essere supportate anche da puntoni o “struts” in diversi punti lungo la porzione alare (si veda la fig. 2g, in cui i puntoni o “struts” sono indicati con 123’ e 124’). Le porzioni alari 20’’ possono presentare inoltre alette terminali 23’’ sulla loro estremità libera, per sfruttare positivamente l’interazione con i vortici prodotti in corrispondenza di tale estremità. Nell’esempio di fig. 2c le alette terminali sono libere; in forme di realizzazione alternative, rappresentate nelle figg. 2e e 2g, possono essere collegate alla carenatura fungendo anche da puntoni o “struts”, indicati con 123. Le alette terminali od eventualmente gli “struts” non sono dedicati alla generazione di deportanza.

L’esempio di figura 2f corrisponde sostanzialmente all’esempio di figura 2e, con la differenza che le porzioni alari 220 sono collegate alla carenatura attraverso puntoni o “struts” 223 in corrispondenza delle loro estremità inferiori, mentre le loro estremità superiori sono libere. In tale disposizione, la porzione alare 220 ha una sezione alare superiore 221 con un angolo di diedro minore, in corrispondenza dell’estremità libera od estremità superiore della porzione alare, compreso fra 30° e 60°, ed una sezione alare inferiore 222 con un angolo di diedro maggiore, verso la radice od estremità inferiore della porzione alare, compreso fra 70° e 110°. In ulteriori forme di realizzazione non illustrate, le porzioni alari suddette possono essere collegate alla carenatura attraverso ulteriori puntoni. In altre forme di realizzazione, le porzioni alari suddette possono presentare più di due sezioni alari. In ancora altre forme di realizzazione, le porzioni alari suddette possono estendersi in modo curvilineo.

L’esempio di figura 2h corrisponde all’esempio di figura 2c, con l’unica differenza che le porzioni alari 20’’ non sono collegate alla carenatura direttamente, ma attraverso rispettivi supporti 24’’ che non sono dedicati alla generazione di deportanza. In ulteriori forme di realizzazione non illustrate, tali supporti possono essere presenti anche nelle altre forme di realizzazione sopra descritte.

In figura 2j è rappresentato in pianta un motociclo 1 provvisto di un dispositivo aerodinamico secondo l’invenzione, rappresentato schematicamente. Tale dispositivo aerodinamico può essere conforme ad una delle forme di realizzazione precedentemente descritte od ad altre forme che possono essere concepite da un tecnico del ramo. La figura 2j mostra che le porzioni alari del dispositivo secondo l’invenzione possono presentare un angolo di freccia Λ positivo, negativo o nullo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo aerodinamico per un motociclo, comprendente almeno una coppia di porzioni alari (20; 20’; 20’’; 20’’’; 120; 220; 120’; 320) atte a produrre deportanza, in cui dette porzioni alari sono disposte da lati opposti su una carenatura anteriore (10) del motociclo, essendo direttamente od indirettamente collegate ad essa, e sono posizionate in modo tale per cui ciascuna di esse è destinata a trovarsi, durante la marcia del motociclo, sostanzialmente davanti ad un rispettivo arto inferiore di un conducente a cavallo del motociclo, ed in prossimità di esso, dette porzioni alari presentando un angolo di diedro negativo, caratterizzato dal fatto che detto angolo di diedro negativo è pari ad almeno 30°.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui dette porzioni alari sono fissate sulla carenatura anteriore direttamente in corrispondenza di un’estremità della porzione alare.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui dette porzioni alari sono fissate sulla carenatura anteriore attraverso supporti o puntoni (123; 223; 123’, 124’; 24’’).
4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui ciascuna di dette porzioni alari com prende una pluralità di sezioni alari (21’’, 22’’; 121, 122; 221, 222; 121’, 122’) atte a produrre deportanza, dette sezioni alari essendo disposte consecutivamente lungo la direzione longitudinale della porzione alare, e presentando un angolo di diedro negativo crescente da un’estremità superiore della porzione alare verso un’estremità inferiore della porzione alare.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta pluralità di sezioni alari comprende una prima sezione alare (21’’; 121; 221; 121’) avente un angolo di diedro negativo compreso fra 30° e 60°, ed un’ultima sezione alare (22’’; 122; 222; 122’) avente un angolo di diedro negativo compreso fra 70° e 110°.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detta pluralità di sezioni alari consiste di due sole sezioni alari consecutive.
7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui ciascuna di dette porzioni alari si estende in modo curvilineo, definendo una concavità rivolta verso il piano di simmetria del motociclo.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui ciascuna di dette porzioni alari presenta un angolo di diedro negativo crescente in modo continuo da un valore minimo in corrispondenza di un’estremità superiore della porzione alare ad un valore massimo verso un’estremità inferiore della porzione alare.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detto valore minimo è compreso fra 30° e 60°, e detto valore massimo è compreso fra 70° e 110°.