Test di vibrazione della forcella della bicicletta durante la frenata anteriore

Dynamotion ha combinato prove su strada, analisi modale, acquisizione dati con Dewesoft KRYPTON e modellazione numerica per identificare le cause delle vibrazioni della forcella della bicicletta durante la frenata a disco e come ridurle.

La frenata a disco anteriore può innescare fastidiose vibrazioni longitudinali nella forcella della bicicletta, compromettendo la sicurezza di guida del ciclista e le prestazioni di frenata. Per indagare il fenomeno, Dynamotion ha combinato prove su strada, analisi modale in laboratorio e acquisizione dati tramite tecnologia Dewesoft con un modello numerico validato. Lo studio individua il ruolo chiave del materiale d'attrito dei freni, della dinamica della ruota e della rigidezza della forcella, fornendo strategie di progettazione pratiche per ridurre le vibrazioni e migliorare le prestazioni di frenata.

Introduzione

Lo studio è stato condotto da Dynamotion s.r.l., una società di ingegneria fondata nel 2010 come spin-off dell'Università degli Studi di Padova. Dynamotion fornisce servizi di ingegneria e software per i settori meccanico, motociclistico, ciclistico, automotive e del motorsport. 

Il lavoro è stato presentato al Bicycle and Motorcycle Dynamics 2023 Symposium (BMD 2023) presso la Delft University of Technology nei Paesi Bassi e pubblicato su The Evolving Scholar.

Dynamotion s.r.l. ha analizzato le vibrazioni longitudinali delle forcelle anteriori delle biciclette che si verificano durante la frenata anteriore con freni a disco. Abbiamo combinato prove su strada con i sistemi di acquisizione dati Dewesoft, analisi modale in laboratorio e un modello numerico a quattro gradi di libertà per identificare le cause principali e i parametri di influenza chiave.

Lo studio mostra come il materiale d'attrito dei freni, le proprietà della ruota e la rigidezza della forcella regolino l'innesco delle vibrazioni, fornendo linee guida pratiche di progettazione per mitigare il fenomeno e migliorare le prestazioni di frenata.

Il problema: vibrazioni auto-prodotte della forcella durante la frenata a disco

L'adozione dei freni a disco nel settore ciclistico ha portato notevoli miglioramenti nella potenza di frenata e nella modulabilità. Tuttavia, ha anche introdotto un fenomeno dinamico non presente con i tradizionali freni a cerchio.

Uno di questi problemi è la vibrazione longitudinale della forcella anteriore durante la frenata, un fenomeno relativamente recente e poco trattato nella letteratura scientifica.

A differenza dei freni a cerchio, dove la forza frenante viene applicata vicino al mozzo della ruota, i freni a disco generano un momento flettente maggiore nella forcella a causa del punto di applicazione più basso.

Questo momento, combinato con le ridotte velocità relative all'interfaccia pastiglia-disco, che favoriscono l'insorgere dello stick-slip, e con l'interazione con la flessibilità torsionale della ruota, crea le condizioni per l'innesco di oscillazioni autoeccitate.

I ciclisti avvertono fastidiose e talvolta allarmanti vibrazioni della forcella durante la frenata anteriore quando si utilizzano freni a disco. Queste vibrazioni vengono percepite attraverso il manubrio e possono ridurre l'efficienza di frenata fino al 10%, oltre a diminuire la sicurezza di guida del ciclista.

Il fenomeno si verifica anche durante frenate moderate e graduali, non solo nelle frenate di emergenza, rappresentando così un'importante criticità in termini di comfort e sicurezza nell'uso quotidiano della bicicletta.

I produttori di biciclette e componenti devono comprendere i parametri chiave per affrontare questo problema già in fase di progettazione.

Test delle vibrazioni della forcella della bicicletta su strada

L'indagine ha seguito un approccio strutturato combinando test su strada, caratterizzazione in laboratorio e modellazione numerica.

I test su strada sono stati condotti su un tratto in discesa a velocità comprese tra 10 e 20 km/h, utilizzando una bicicletta con telaio in acciaio e forcella in carbonio. 

Un accelerometro piezoelettrico è stato montato sul perno della ruota anteriore per rilevare l'accelerazione longitudinale della forcella durante le frenate. 

Sono state testate due diverse ruote anteriori e due dischi freno in tutte e quattro le combinazioni possibili, consentendo di isolare gli effetti dei singoli componenti.

L'analisi temporale e in frequenza ha mostrato una netta differenza tra i due dischi freno. Con il Disco A, le ampiezze di vibrazione sono risultate da 3 a 5 volte superiori rispetto al Disco B su entrambe le ruote. Ciò dimostra che il materiale d'attrito del freno ha un forte impatto sulle vibrazioni della forcella.

Anche la frequenza di picco delle vibrazioni è variata a seconda della ruota utilizzata. Ciò suggerisce che anche la dinamica strutturale della ruota gioca un ruolo importante.

Analisi modale della forcella e della ruota della bicicletta

Per andare oltre i test su strada, abbiamo eseguito anche un'analisi modale in laboratorio. L'obiettivo era identificare le frequenze proprie dei componenti front-end della bicicletta.

Per il test, abbiamo sospeso la bicicletta e utilizzato un martello ad impulso per eccitare la struttura. Gli accelerometri hanno misurato la risposta in diversi punti.

L'analisi ha identificato il modo di flessione longitudinale della forcella a circa 26 Hz per la Ruota A e 24 Hz per la Ruota B. Ha inoltre identificato modi di torsione della ruota a 44 Hz e 32 Hz. Questi risultati corrispondevano alle frequenze di vibrazione osservate durante i test su strada.

Sulla base di questi risultati, abbiamo sviluppato un modello a parametri concentrati a quattro gradi di libertà. Il modello include la flessione della forcella, la torsione della ruota, la rotazione del disco e il movimento verticale.

Si calcolano inoltre le forze tra lo pneumatico e il terreno utilizzando la Magic Formula di Pacejka con rilassamento. Questo modello di pneumatico descrive forze e momenti in diverse condizioni di slittamento.

La coppia frenante viene utilizzata come input del modello e viene applicata nel tempo tra la forcella e il disco. Il modello ha riprodotto con successo il principale comportamento vibrazionale osservato durante i test su pista.

Implementazione

Abbiamo strutturato la campagna sperimentale in due fasi:

• Test su strada in discesa con azionamento del freno anteriore a 20–10 km/h, registrando l'accelerazione della forcella tramite un sensore piezoelettrico in quattro configurazioni ruota-disco.

• Test modali in laboratorio con eccitazione tramite martello ad impulso per caratterizzare le frequenze proprie di flessione della forcella e di torsione della ruota, fornendo i parametri per il modello numerico.

Setup DAQ Dewesoft KRYPTON

• Bicicletta con telaio in acciaio e forcella anteriore in carbonio

• Due ruote anteriori con diverse proprietà dinamiche (massa, rigidezza torsionale)

• Due freni a disco con diversi materiali d'attrito (Disco A e Disco B)

• Accelerometro piezoelettrico montato sul perno della ruota anteriore

• Sistema di acquisizione dati Dewesoft KRYPTON per la misura delle vibrazioni ad alta frequenza

• Martello ad impulso e configurazione con accelerometri multipunto per l'analisi modale

Misure chiave e risultati dei test

Il Dewesoft Krypton ha registrato l'accelerazione longitudinale della forcella durante la frenata ad elevate frequenze di campionamento.

I dati nel dominio del tempo hanno mostrato evidenti picchi (burst) di vibrazione durante la frenata. Nel caso peggiore, con Ruota A e Disco A, le accelerazioni di picco hanno raggiunto ±15 g.

L'analisi in frequenza FFT ha evidenziato picchi dominanti tra 19,5 e 23 Hz, a seconda della ruota. Questi picchi corrispondevano alle frequenze proprie di flessione della forcella identificate durante i test modali.

Il Disco A ha prodotto costantemente livelli di vibrazione da 3 a 5 volte superiori rispetto al Disco B su entrambe le ruote. Ciò ha confermato che il materiale d'attrito del freno ha una forte influenza sulle vibrazioni della forcella.

Come ridurre le vibrazioni della forcella della bicicletta

Il modello numerico è stato validato rispetto ai dati sperimentali e successivamente utilizzato per un'approfondita analisi di sensibilità. I risultati principali includono:

• Rigidezza e smorzamento della forcella: Increasing fork bending stiffness and damping are the most effective ways to suppress vibrations. A 120% increase in fork damping alone eliminates oscillations.

• Proprietà della ruota:Un'inerzia della ruota maggiore riduce sia la frequenza che l'ampiezza delle vibrazioni. Le ruote leggere peggiorano il problema, in accordo con le osservazioni dei test su pista.

• Proprietà dello pneumatico: Un'elevata rigidezza di slittamento (slip stiffness), una ridotta lunghezza di rilassamento e una bassa rigidezza/smorzamento verticale (influenzati dalla pressione di gonfiaggio) contribuiscono a ridurre le vibrazioni.

• Azionamento del freno: Un'applicazione graduale del freno (con una costante di tempo più lunga) previene l'innesco delle vibrazioni. Una riduzione del 10% della forza del pistone a regime fornisce la stessa forza frenante della configurazione base, ma senza oscillazioni.

Conclusione

Il nostro studio dimostra che le vibrazioni della forcella durante la frenata anteriore sono causate dall'interazione di diversi fattori. Questi includono la struttura della forcella e della ruota, il materiale d'attrito del freno, la velocità di azionamento del freno e le proprietà dello pneumatico.

Combinando misure ad alta frequenza su strada e in laboratorio effettuate con Dewesoft Krypton e un modello a parametri concentrati validato, abbiamo ottenuto una chiara comprensione del comportamento vibrazionale. L'analisi di sensibilità ha inoltre fornito linee guida pratiche di progettazione per i produttori di componenti, aiutandoli a ridurre l'innesco delle vibrazioni e a migliorare il comfort del ciclista e le prestazioni di frenata.

Riferimenti bibliografici

• Publication: Formentini, M., Giolo, E., Marconi, E., & Rovarin, A. (2023). Bicycle fork longitudinal vibrations induced by front braking—the Evolving Scholar – BMD 2023.