Attrezzatura per esperienze sul fenomeno dello shimmy

Presso il Dipartimento di Meccanica dell’Università di Napoli è stato realizzato un banco per lo studio del fenomeno dello shimmy che è una oscillazione che si manifesta nelle ruote sterzanti (castor) intorno all’asse di sterzo. Tali oscillazioni sono sostenute dall’energia di movimento del castor e dipendono dall’interazione ruota-suolo. Il fenomeno è particolarmente influenzato dalla velocità di avanzamento della ruota, dalle caratteristiche del pneumatico, dalle caratteristiche inerziali dell’intero castor ed in particolare dalla deformazione laterale e torsionale del castor. L’ampiezza delle oscillazioni può raggiungere valori elevati e comporta un incremento della resistenza di rotolamento, l’usura del pneumatico e sollecitazioni di fatica nei componenti del castor. Il fenomeno è stato studiato in campo aeronautico ed automobilistico e, con alcune differenze, si presenta anche nei motocicli e nelle biciclette con il nome di wobble o nei carrelli rimorchiati con il nome di waving. Il banco è costituito da una base che sostiene i supporti di due rulli intorno ai quali è avvolto un nastro in materiale sintetico con anima di poliammide e struttura in fibra sintetica. Uno dei due rulli è mosso, mediante un sistema di trasmissione con cinghia, da un motore elettrico, che consente quindi di regolare la velocità di traslazione del nastro. Il nastro scorre su due piastre rigide, in corrispondenza delle quali può essere poggiato il castor; la doppia piastra consente di disporre sul banco anche veicoli a due ruote. Per evitare che il nastro principale si riscaldi e si usuri rapidamente a causa del contatto di strisciamento con le piastre, tra lo stesso nastro e ciascuna piastra è stato disposto un nastro secondario, cinematicamente collegato a quello principale. Tale disposizione consente da un lato di poter avere una buona aderenza tra il nastro principale ed il rollo motore, senza pericolo di slittamento relativo e contemporaneamente di poter lubrificare il contatto tra la piastra ed il nastro secondario. Per evitare il deragliamento del nastro i rulli sono stati rastremati alle estremità; inoltre i supporti del rullo principale mosso hanno la possibilità di ruotare rispetto al rullo motore. Tali supporti sono montati su un carrello sul quale agisce l’azione di una molla che fornisce una necessaria azione di tensionamento del nastro principale. Per evitare lo slittamento tra il nastro principale e quello secondario, questi sono tenuti uniti tra loto da un sistema di ruote in materiale elastomerico. Alla base dell’impianto è fissato anche il telaio al quale viene collegato il castor in prova. In particolare il castor è collegato al telaio mediante guida lineare ad asse verticale che gli consente di traslare e di trasferire il peso alla piastra disposta sotto i nastri. L’elemento di collegamento del castor al telaio è stato realizzato in modo da consentire la rotazione intorno all’asse di sterzo e la regolazione dell’inclinazione dell’asse di sterzo. Il carico verticale sul castor può essere incrementato mediante delle masse aggiuntive indirettamente collegate al castor mediante una fune metallica ed un sistema di pulegge . Il castor utilizzato per lo studio dello shimmy è caratterizzato da bassa rigidezza laterale ed è di derivazione motociclistica. Tale peculiarità rende evidenti anche le oscillazioni di shimmy che si manifestano alle basse velocità e che scompaiono a velocità più elevate per la presenza delle coppie giroscopiche che nascono per effetto della rotazione della ruota intorno al suo asse ed intorno all’asse di sterzo. Il castor è stato dotato di uno smorzatore di sterzo regolabile mediante il quale è possibile ridurre l’ampiezza delle oscillazioni o eliminarle del tutto. Lo stesso castor è stato strumentato mediante un sensore angolare di sterzo, due accelerometri e tre sensori giroscopici. Lo shimmy dipende dalla deformabilità laterale del castor che dipende dalla configurazione che assume la sospensione (cresce al crescere dell’affondamento). Poiché l’affondamento è funzione del carico, per poter regolare indipendentemente il carico verticale e la rigidezza laterale al castor in prova sono state eliminate le molle dalle sospensioni ed in loro vece è stato disposto un sistema che consente di regolare l’affondamento della sospensione. Il sistema consente di valutare sperimentalmente l’effetto di alcune grandezze sul fenomeno dello shimmy, come ad esempio: velocità del nastro, smorzamento, carico verticale, inclinazione dell’asse di sterzo, caratteristiche inerziali del castor, caratteristiche dei pneumatici. Il banco ha la possibilità di accogliere anche altri tipi di castor; è stato provato anche un carrello anteriore di atterraggio di un aereo sebbene con qualche problema legato alla velocità masima che questo può raggiungere. I primi risultati sono riportati nell’articolo: “Experimental investigation on the shimmy phenomenon” presentato al congresso: Bicycle and Motorcycle Dynamics 2010 (BMD 2010) - Symposium on the Dynamics and Control of Single Track Vehicles - June 7 - 10, 2009, Delft, The Netherlands, 20 - 22 October 2010.