Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

9 ottobre 2009

Sensori di torsione

Rubrica: Telemetria (sensori di torsione)
Titolo o argomento: Sensori di torsione

I sensori di torsione vengono installati sulle vetture con elevate prestazioni per misurare il grado di torsione di alberi di trasmissione e, volendo, anche dei semi assi. Misurare come, ma soprattutto quanto, si torce un albero che trasmette un moto risulta di fondamentale importanza per comprendere se i materiali impiegati sono adatti a ricoprire egregiamente il loro compito. Possiamo capire durante l’arco di una gara come un albero di trasmissione si comporta sotto sforzo e specialmente in momenti critici. La peggiore situazione risulta essere la perdita di aderenza della vettura che causa un brusco aumento del numero di giri delle ruote, della trasmissione e del motore. In questi casi un albero di trasmissione può subire accelerazioni fino all’esasperato valore di 200g. Ma non solo, nel momento in cui il grip delle gomme sarà nuovamente disponibile, l’albero di trasmissione ed i semiassi subiranno una violenta decelerazione e, in un istante, riandranno sotto sforzo (torcendosi su se stessi) dovendo essi trasmettere elevate coppie motrici alle ruote che si oppongono rispondendo con l’elevata aderenza delle mescole ultratenere di cui sono composte.

Sensore

I sensori di torsione sono degli estensimetri e come tali (vedi anche i precedenti articoli della rubrica Telemetria; la casella “cerca è in alto a destra”) funzionano come tutti gli altri sensori di questa categoria, ossia trasformando una posizione in un segnale elettrico che verrà inviato ad un ricevitore ed infine al software del computer. Tale software provvederà a tracciare un grafico con punti e curve che cambiano comportamento in base alla tensione del segnale inviato.

I sensori vanno montati solidali all’albero su cui fare il rilevamento. Pertanto ruotano insieme all’albero di trasmissione che dovrà essere stato preventivamente pulito e preparato in officina. La sua superficie dovrà essere perfettamente liscia e cilindrica. I sensori verranno fissati a due diverse altezze dell’albero di trasmissione cosicché possano interagire tra loro e comunicare le loro posizioni relative al trasmettitore (anch’esso fissato sull’albero da controllare).

Trasmettitore

Copyright

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Ringrazio vivamente:
Il mio caro amico “Giorgio” per la gentile concessione della sua telemetria.
La PI research per i preziosi dati concessi.
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5 ottobre 2009

Motorismo: Dimensionamento della testata (le valvole) – Parte seconda

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Dimensionamento della testata (le valvole) – Parte seconda

Prosegue dall’articolo: “Motorismo – Dimensionamento della testata parte prima”

Abbiamo detto che nella progettazione si cerca di realizzare valvole di aspirazione più grandi possibili, tuttavia il valore che i progettisti ricavano dalla seguente formula per la valvola di aspirazione

risulta essere tale da impedire il corretto posizionamento della candela in zona centrale e da impedire il giusto dimensionamento della valvola di scarico. Un modo piuttosto vantaggioso per porre rimedio a questi ostacoli risulta l’adozione delle 4 valvole per cilindro. In tal caso i diametri delle valvole di aspirazione saranno ottenuti tramite la relazione:

Ricordiamo che dv è il diametro che otteniamo per le valvole di aspirazione in una camera di scoppio con 4 valvole (due di aspirazione e due di scarico); mentre dva è il diametro che avevamo ricavato nel precedente articolo sul dimensionamento della testata (Motorismo -7-) per la valvola di aspirazione ottimale per un motore con due valvole per cilindro (una di aspirazione e una di scarico).

Frazionare il numero delle valvole da quindi un vantaggio geometrico in quanto si riesce ad ottenere un maggiore passaggio di fluido sia per l’aspirazione che per lo scarico ed allo stesso tempo non si ha alcun impedimento nel posizionare al centro della camera di combustione la candela o le candele nel caso di motori Twin Spark (ossia a doppia accensione).

Continua…

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

Vista in trasparenza della soluzione quattro valvole per cilindro

5 ottobre 2009

Fotovoltaico a media concentrazione

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: Fotovoltaico a media concentrazione

Aumentare la resa

Per tentare di catturare maggiori raggi luminosi è sempre necessario utilizzare molte più file di pannelli fotovoltaici? Volendo si può fare ma risulta una soluzione assai costosa. Così oggi la tecnologia ci offre delle soluzioni ingegneristiche alternative più intelligenti ed ottimizzate. Una di queste consiste nell’utilizzare una sola fila di pannelli solari fotovoltaici che viene addirittura rivolta verso il terreno.

E la luce come li investe?

La cosa curiosa è proprio questa, la luce non investe direttamente i pannelli fotovoltaici proprio perchè sono rivolti verso il suolo. A portare una maggiore quantità di raggi luminosi ai pannelli fotovoltaici (energia sotto forma di fotoni) provvedono degli appositi specchi orientabili intorno al proprio asse longitudinale. Tali specchi si occupano di rimbalzare una quantità di energia luminosa molto maggiore di quella che potrebbe catturare la singola fila di pannelli solari se fosse rivolta verso l’alto.

Ovviamente la spesa nell’acquistare e sistemare su un campo 10 specchi di grandi dimensioni è molto minore di quella che occorre per acquistare 10 pannelli solari di pari dimensioni.

L’unica fila di pannelli fotovoltaici è dotata di un dissipatore di calore rivolto verso l’alto che permette lo smaltimento dell’enorme quantità di calore che si accumula sui pannelli stessi dopo essere stati investiti dai fotoni provenienti dagli specchi. Un sistema sicuramente articolato ma indubbiamente maggiormente redditizio e più economico di quanto si possa immaginare 🙂

29 settembre 2009

Motorismo: Lunghezza biella

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Lunghezza ideale per un biella

I motori realizzati per le vetture di serie sono progettati per ospitare bielle piuttosto lunghe. Viceversa i motori più spinti prediligono bielle piuttosto corte. Vediamo perchè. A parità di altezza (A) del basamento un motore progettato con bielle lunghe può montare un pistone più corto e più leggero, questo permette di ridurre le masse alterne garantendo una maggiore affidabilità ed una minore usura dei componenti. Una biella lunga inoltre raggiunge minori inclinazioni laterali durante il suo moto. Tale vantaggio si traduce in una minore spinta laterale e minori attriti (minore usura) sulle pareti di ogni cilindro. Quindi in un motore stradale si privilegiano le dimensioni ridotte dei pistoni a scapito di bielle più lunghe.

Al contrario nei motori ad elevate prestazioni dove i pistoni sono già ai minimi termini, si cerca di estremizzare il manovellismo riducendo anche la lunghezza della biella. Essendo la biella considerata come un organo che per una frazione si muove di moto alterno e per la restante frazione si muove di moto rotatorio, si riescono ovviamente a ridurre sia le masse che si muovono di moto alterno che quelle che si muovono di moto rotatorio. Una simile soluzione da un netto vantaggio in termini di prestazioni ma offre durate alquanto ridotte ed obbliga a costosi trattamenti superficiali sulle pareti dei cilindri proprio per l’aumento della spinta laterale. Ridurre le masse è fondamentale dove vi sono regimi di rotazione molto elevati che generano forze di inerzia altrettanto elevate che crescono proporzionalmente alle masse alterne.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

26 settembre 2009

Motorismo: Dimensionamento della testata (le valvole) – Parte prima

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Dimensionamento della testata (le valvole) – Parte prima

Prima di procedere al dimensionamento della testata è necessario definire il diametro della camera di combustione (in stretta relazione con l’alesaggio dei cilindri), è necessario sapere che le valvole di aspirazione sono più grandi delle valvole di scarico, ed è necessario sapere che le valvole, ovviamente, andranno a muoversi all’interno del volume della camera di combustione e in parte della sezione circolare di ingombro del cilindro.

Scelta del numero valvole

Si tratta di una scelta che dipende dalle specifiche esigenze di progettazione. Lo scopo è quello di avere le sezioni più grandi possibili per poter impiegare condotti altrettanto larghi. Questi parametri influenzano largamente le prestazioni di un motore. Un esempio fu il motore F7P realizzato dalla Renault per le Clio 1.8 – 16v e Williams: un motore inizialmente contestato proprio per le sue abbondanti dimensioni dei condotti. Poco dopo ci si rese conto che questo tipo di scelta favoriva la risposta in ripresa anche con le marce più alte e garantiva una più elevata potenza specifica della categoria…

Due valvole per cilindro

Definire l’area della valvola di aspirazione

Ava = Area valvola aspirazione
Vcil = Volume cilindro
n = numero di giri del motore
t = è un parametro che vale 2 per un motore a 4 tempi e 1 per un motore a 2 tempi
Dall’area della valvola di aspirazione se ne può ricavare il diametro attraverso la formula:

Il valore che si ottiene è generalmente troppo grande e non lascia posto né alla candela che deve essere per forza di cose posizionata in camera di scoppio in zona centrale, né alla valvola di scarico.

Come si risolve il problema? Continua…

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

24 settembre 2009

Motorismo: Altezza del basamento – Distanza tra lo spinotto ed il cielo del pistone

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Altezza del basamento – Distanza tra lo spinotto ed il cielo del pistone

Proseguendo il discorso dall’articolo precedente (motorismo -5-) possiamo ricavare anche la distanza tra lo spinotto ed il cielo del pistone (definita altezza di compressione h). Per farlo è necessario tenere conto degli organi di tenuta del pistone (le fasce o segmenti).

Essendovi in un motore da competizione la tendenza ad utilizzare un solo segmento di tenuta ed un solo segmento raschia olio, avremmo ovviamente un pistone con un cielo molto più vicino allo spinotto. La dimensione esatta dipenderà dal materiale impiegato , dal numero di prove sperimentali eseguite e dall’abilità del progettista.

Con il pistone al punto morto superiore possiamo ricavare l’altezza del basamento (misurata dal perno di banco) come somma dell’altezza h (tra il centro dello spinotto ed il cielo del pistone) con la lunghezza della biella L e la metà della Corsa. Esattamente come segue:

I fattori della formula appena citata sono rappresentati in modo “indicativo” nell’immagine in alto. Ricordiamo che C/2 (il terzo addendo della somma) va dal centro del perno di biella al centro del perno di banco.

Un solo segmento di tenuta in più su un pistone, sottrae al motore una potenza pari a 1 CV

Maggiori approfondimenti alla sezione “Motorismo” della pagina “Motori“.

22 settembre 2009

Prototipazione per addizione di materiale

Rubrica: Prototipazione rapida
Titolo o argomento: Panoramica della logica di prototipazione per addizione di materiale

La prototipazione rapida mediante stampa 3D consiste in un insieme di processi volti a realizzare modelli e componenti per addizione di materiale layer by layer a partire da un modello matematico tridimensionale che viene suddiviso digitalmente in strati. Diversamente dalle tradizionali macchine per asportazione di truciolo, che operano una sottrazione successiva di materiale da un blocco nel quale è contenuta la forma che si vuole ricavare, i sistemi di prototipazione rapida fabbricano strati successivi di materiali che possono essere costituiti di volta in volta da liquidi, polveri, fili o laminati. Strato dopo strato, queste macchine ricostruiscono l’oggetto che rappresenta il modello matematico di partenza. Per questa ragione tale tecnologia produttiva è anche nota come Layer Manufacturing.

Il prototipo viene disegnato tramite sistemi CAd 3D e poi convertito in un formato compatibile con il tipo di macchinario che si va ad utilizzare. Lo standard grafico attuale è il “Solid to layer” o STL. Questo formato prevede la tassellizzazione (o mesh) delle superfici interna ed esterna del pezzo attraverso poligoni triangolari. L’approssimazione di superfici curve attraverso facce triangolari introduce inevitabilmente un errore, valutato misurando la distanza tra il baricentro del triangolo e la superficie originaria. E’ possibile aumentare la densità dei triangoli in presenza di una superficie curva del modello per raggiungere l’approssimazione richiesta (immagine in basso).

Si tratta di un formato molto semplice nel quale sono indicati per ogni triangolo le tre coordinate spaziali dei tre vertici ed i tre coseni direttori della normale esterna alla superficie così definita. Una volta ottenuto il file STL si opera su di esso con tre fondamentali passaggi: orientamento del pezzo, genrazione dei supporti, slicing.

Orientamento del pezzo

Permette di scegliere la direzione ottimale di crescita del prodotto. Questo influenzerà la precisione dimensionale, la finitura superficiale, i tempi ed i costi di produzione.

Generazione dei supporti

Fase necessaria quando si devono ad esempio sostenere eventuali parti a sbalzo. Il file inoltre deve essere sezionato con una serie di piani ortogonali alla direzione di crescita del modello in modo tale da ottenere le coordinate del contorno di ogni sezione (o layer).

Slicing

Operazione piuttosto critica che può essere uniforme o adattativa. Nel primo caso gli strati (o layer) vengono creati con spessore costante, mentre nel secondo caso lo spessore viene scelto layer per layer in funzione della curvatura superficiale. Nel secondo caso si ha indubbiamente una maggiore precisione ed un minore aspetto a gradini. Gli spessori possono variare da 0,05mm a 0,5mm a seconda della tecnologia che si andrà ad utilizzare. Viene infine generato il prototipo dalla macchina e rifinito eliminando i supporti atti a reggerlo, levigandolo e, se necessario, trattandolo per migliorarne le caratteristiche di robustezza.

Link correlati

Intro
Stampare in tre dimensioni si può
Dal disegno alla stampa di un prototipo
Introduzione alle tecniche di prototipazione rapida

19 settembre 2009

Dinamica della moto: L’effetto inerziale

Rubrica: Dinamica della moto

Titolo o argomento: L’effetto inerziale

Il prodotto della massa di un corpo per la sua velocità definisce una grandezza che si chiama “quantità di moto”. Tanto maggiore è questo valore e tanto meno la traiettoria di un corpo sarà influenzata da forze esterne. In pratica prendendo velocità, con una moto o una bicicletta, la quantità di moto che si genera impedisce alla moto/bici di cadere lateralmente a meno che non intervenga una forza tale da poter incidere sull’equilibrio che si era venuto a creare.

Nell’immagine vediamo una moto (la prima in alto) che ha una velocità iniziale “Vi” di 100km/h. Una forza che agisce lateralmente genera una variazione di velocità laterale “dV”. I moti si compongono. Per cui la risultante delle due velocità risulta essere “Vr”. L’angolo tra “Vi” e “Vr” è piuttosto ridotto. La direzione “del moto della moto” ha subito una variazione minima.

Viceversa la seconda moto, procedendo con una Vi inferiore, ha subito, dalla stessa forza laterale, una notevole variazione nella direzione del suo moto osservabile dalla maggiore inclinazione del vettore risultante delle velocità “Vr”.

Lo stesso identico concetto che abbiamo appena applicato alla velocità, lo si può applicare alla massa. Tanto maggiore sarà la massa e tanto minori saranno le possibilità che, una forte folata di vento laterale, vi possa spostare.

Con l’aumento della velocità e della massa, la moto manterrà più facilmente la sua traiettoria rettilinea.

Note

Un tale esempio serve a spiegare, da un punto di vista fisico, l’effetto inerziale. Ciò significa che non è un incentivo a non rispettare le norme del codice stradale. Infatti vedremo in seguito come questo esempio sia valido per la fisica ma assolutamente non valido nel “traffico” anche perchè, diciamoci la verità, quante probabilità ci sono di incontrare in moto abbondanti raffiche di vento? E anche se fosse, aumentereste la vostra velocità? O preferireste essere spostati ma poter far affidamento sui vostri piedi quasi appoggiati a terra a 20 km/h? 😀

Link

Vedi anche l’articolo “Grandezze scalari, grandezze vettoriali” dove trovi illustrate le caratteristiche di un vettore e gli esempi presenti sull’articolo “Cos’è un vettore“.

18 settembre 2009

Dinamica della moto (introduzione alla)

Rubrica: Dinamica della moto
Titolo o argomento: I primi effetti li scopriamo da piccoli

Quando da bambini iniziamo a fare i primi giretti in bici, inizialmente, utilizziamo un fondamentale aiuto: le rotelle.

Questo semplicemente perchè alla nostra prima esperienza sulle due ruote non conosciamo ancora gli effetti di alcuni fenomenici fisici importanti:

L’effetto inerziale
Gli effetti giroscopici
L’effetto raddrizzante dato dall’avancorsa della moto.

Tratteremo questi effetti, e molto altro ancora, in questa rubrica intitolata “Dinamica della moto” che verrà molto probabilmente accostata ora o in seguito da un’analoga rubrica riferita alla “Dinamica delle auto da corsa”.

dinamica moto