Modutech e i test in galleria del vento e su strada per caschi motociclistici


Fin dal 1986 Alessandro Cariani, attuale amministratore della società Modutech, realizza test in galleria del vento per le maggiori aziende produttrici di caschi protettivi mondiali.


1) Generalità
La valutazione delle prestazioni aerodinamiche di un casco motociclistico passano attualmente attraverso test basati sulla simulazione delle caratteristiche aerodinamiche con programmi ad elementi finiti (come Delfrin2 o VWT) oppure da verifiche aerodinamiche in ambienti controllati come gallerie del vento.
Mai si era verificata la possibilità di realizzare misurazioni su caschi in movimento relativo non solo rispetto al flusso del fluido rispetto al quale il sistema si muove, ma anche rispetto al sistema di misurazione: in altri termini, la valutazione del sistema casco direttamente in fase di utilizzo.
E’ proprio questo l’obiettivo che si prefigge questa analisi: verificare, sulla base di una valutazione legata ad una serie di parametri funzionali di un casco, quale può essere la sua efficienza in termini aerodinamici.
La presente analisi verifica le tecnologie attualmente a disposizione per la realizzazione di una simulazione efficace della condizione di traspirazione di una testa umana durante l’utilizzo di un casco motociclistico, benché in realtà le conclusioni che si traggono possano essere applicate a qualunque tipologia di prodotto, incluse calzature o capi di abbigliamento.

2) Descrizione del sistema di acquisizione.
Nelle competizioni automobilistiche il controllo dei vari parametri di stato della vettura (temperature e spostamenti delle sospensioni) è da alcuni anni svolto dai tecnici ai box, tramite un sistema elettronico che trasmette via radio ad un elaboratore che successivamente analizza queste informazioni: questo sistema integrato viene detto “telemetria”.
Con questo termine intendiamo un sistema elettronico che sia in grado di "misurare" i valori assunti da alcuni parametri, e di comunicarli in qualche modo ad un sistema in grado di elaborarli, per esempio tramite la radiotr
asmissione di questi dati.
Allo stato attuale delle cose sulle motociclette sono applicati sistemi che acquisiscono i dati riversandoli ad intervalli regolari in un PC tramite un collegamento via cavo ai box, in quanto le dimensioni di una trasmittente che sia in grado di funzionare in maniera efficace, e che non abbia un assorbimento di energia elettrica eccessivo (che si tramuta in massa da portarsi dietro o in potenza ceduta ad un alternatore), non sono ancora compatibili con un mezzo a due ruote.
Per questo motivo rispetto per esempio alla F.1, le soluzioni scelte sono relativamente più semplici, e vengono di solito utilizzate in prova per semplificare la messa a punto del motociclo durante le prove per poi essere eliminate durante la gara: in questo senso, non sarebbe corretto parlare di telemetria, ma essendo questo termine entrato a tutti gli effetti nel gergo motociclistico, continueremo ad utilizzarlo.
In genere le informazioni registrate sono relative ai movimenti delle sospensioni (tramite dei trasduttori lineari di spostamento piazzati in parallelo agli ammortizzatori), alle velocità di rotazione delle ruote (spesso misurata per ogni ruota, indicando così sia la velocità istantanea del mezzo che eventuali patinamenti in accelerazione e frenata), alle temperature dei liquidi del motore (tramite delle semplici termocoppie) e ai regimi di rotazione del propulsore.
Sistemi come quello appena descritto permettono comunque di sviluppare una analisi del comportamento di una motocicletta piuttosto interessante, in quanto sono in grado di registrare una serie che va da quattro a sedici parametri digitali e da quattro a diciotto segnali analogici contemporaneamente, con pesi installati (cioè completi di trasduttori) inferiori al chilogrammo.
Va però fatta una precisazione: nel caso di segnale digitale non è possibile misurare i dati in arrivo in modo continuo, in quanto con questa tipologia di informazioni non risulta memorizzabile con i sistemi informatici a nostra disposizione, per cui si effettuano delle misurazioni con metodologie "discrete", cioè prendendo dei valori in istanti successivi, e considerando che in un piccolo intervallo di tempo il valore in questione sia cambiato in maniera tale che si possa ricostruire come è cambiato.
Il problema che si viene a creare ora è quanto deve essere piccolo l'intervallo di tempo perché non si perda nulla su queste informazioni, o, in altri termini, quanto devono esser ravvicinate le misure per fare in modo di ricreare in maniera esatta il segnale.
La quantità di dati in ingresso nel sistema dipende da un parametro funzionale del sistema che è detto "frequenza di campionamento", e che ci dice quante misure vogliamo effettuare in un secondo: la soluzione che sembrerebbe ideale è quella di misurare ad intervalli piccolissimi le informazioni, tenendo cioè la frequenza di campionamento alta.
Questa metodologia ha delle limitazioni, poiché la massa di dati misurabili durante un giro di pista risulterebbe molto elevata, e di conseguenza si necessiterebbe di una quantità di memoria eccessiva.
E' infatti evidente che queste informazioni devono essere sistemate in una zona di memoria, dotata di dimensioni fisiche ben precise: l'aumento della frequenza di campionamento genera una maggiore quantità di dati nell'unità di tempo, per cui l'intervallo fra uno scarico di informazioni e il successivo diminuirà di conseguenza.
Se dunque ipotizzassimo di utilizzare una frequenza di campionamento pari a 1000 Hertz, questo significherebbe che il segnale che noi stiamo osservando verrà misurato, e dunque memorizzato, mille volte in un secondo, oppure (differente modo di dire la stessa cosa) che faremo una misurazione ogni millesimo di secondo.
Questi intervalli estremamente limitati sono utili per ricreare in maniera perfetta le informazioni su fenomeni dinamici, mentre le frequenze di campionamento necessarie per l’acquisizione di informazioni di temperatura può essere anche cento volte inferiore, senza che si perda nulla in termini di informazioni.
Del resto anche la diminuzione della frequenza di campionamento crea notevoli problemi: un teorema molto conosciuto nel settore dell'elettronica di acquisizione dati (teorema di Shannon) ci dice che la minima frequenza che permette l'acquisizione di un fenomeno è pari al doppio della massima frequenza a cui si svolge il fenomeno.
Una scelta che permette di realizzare una efficace sintesi di entrambi i problemi è quella di impostare il sistema di acquisizione con una frequenza pari a circa 10 Hz: allo stato attuale della tecnologia, il pilota riesce a percorrere circa venticinque giri prima che la memoria sia saturata, che equivalgono ad un volume pari a circa 150 megabyte di informazioni.


Per quanto concerne il nostro sistema, utilizzato su un casco Nolan N92 sulla Yamaha YZR500 di Carlos Checa (test sulla pista del Mugello in data 27.2.99) i parametri acquisiti sono i seguenti:
1. Temperatura 1, posta nelle immediate vicinanze della zona di scarico JSW;
2. Temperatura 2, posta posteriormente alla zona di scarico JSW, 40 mm dietro Temperatura 1;
3. Temperatura 3, posta sulla nuca del pilota e 60 mm dietro Temperatura 2;
4. Temperatura 4, posta sulla fronte del pilota e 90 mm davanti a Temperatura 1;
5. Accelerometro verticale e giroscopio, trasduttore posto all’interno del casco;
6. Accelerometro triassiale xyz, con trasduttore posto all’interno del casco;
7. Pressione 1, posta in acquisizione di pressioni dinamiche da prese inlet (come quelle di inlet N92R laterali);
8. Pressione 2, posta in verifica della situazione di pressione a cavallo di sistemi di ventilazione;
9. Trasduttore di velocità, posto sulla ruota fonica della motocicletta.
Nei primi test svolti al Mugello, i trasduttori 4,6,8 sono stati tralasciati in quanto i tempi necessari all’acquisizione e la loro complessità in funzione del ristrettissimo tempo a disposizione e dell’importanza dei test hanno consigliato una maggiore semplicità di acquisizione.
In seguito sono illustrati i grafici acquisiti durante un giro tipo.

Va sottolineato che l'analisi dei grafici di accelerazione verticale ed orizzontale è anche estremamente interessante in quanto indicativo dell'assetto che il pilota assume alla guida del mezzo: una condizione tale per cui il pilota durante la marcia in rettilineo risulta essere più o meno "impuntato" sull'avantreno può essere valutata e modificata anche solo osservando i valori medi espressi dalle misure, riuscendo anche a dare una idea della configurazione aerodinamica del sistema, in relazione al carico generato dalla carena sull'avantreno e dalla posizione media di inclinazione del sistema.
Ad esempio, durante la marcia in rettilineo Carlos Checa assumeva una posizione decisamente più inclinata di Fabrizio Pirovano, pertanto la condizione aerodinamica del sistema risulta essere sostanzialmente differente nelle due condizioni, che comporterebbero sostanziali differenziazioni riguardo le soluzioni aerodinamiche da applicare ai caschi dei due piloti.
Una volta che siano state effettuate le scelte aerodinamiche di massima (legate al miglioramento di una caratteristica, e quindi in generale sarà possibile migliorare un prodotto “personalizzando” le esigenze di ogni singolo pilota.
Naturalmente una regolazione ottimale dei parametri aerodinamici permette una diminuzione delle caratteristiche di instabilità e/o di penetrazione del casco: nella fattispecie bisogna fare in modo che le oscillazioni rispetto alla posizione di stabilità siano il più possibile limitate, e che queste oscillazioni abbiano il minimo di energia interna possibile.
Infatti le microoscillazioni permangono anche nel caso di aerodinamica ideale: essendo infatti in una condizione reale, e non ideale, è necessario che la geometria del casco sia adattata non solo alla moto, ma al pilota e a tutto il circuito.
Il passo successivo dovrebbe essere quello di misurare la velocità di spostamento del sistema casco in funzione della situazione (tramite misure dirette o indirette), in modo da poter valutare in maniera ancora più precisa le entità dei miglioramenti successivi alle modifiche: evidentemente per evitare difficoltà i valori raggiunti dalle velocità lineari delle oscillazioni del casco devono essere abbastanza limitati in modo da evitare fenomeni oscillanti, ma anche abbastanza elevati in modo da garantire la stabilizzazione dinamica del sistema in tempi il più possibile limitati.
E' evidente che se si potesse disporre di un sufficiente volume di informazioni, la definizione del range di velocità efficaci rappresenterebbe una informazione di notevole interesse per i tecnici: questo significa che un controllo elettronico della geometria del casco porterebbe a rendere ottimale la risposta in ogni situazione, realizzando un vero e proprio sistema aerodinamico “attivo”.

3) Analisi dei dati acquisiti.
Le prove svolte sono state imperniate sull’acquisizione di una serie di dati riguardanti rispettivamente:
1. Temperature interne;
2. Accelerazioni verticali ed orizzontali;
3. Pressioni a cavallo dei sistemi di ventilazione.
I seguenti paragrafi illustrano i risultati ottenuti.

3.1) Analisi dei dati di temperatura.
Le prove si sono svolte in condizioni climatiche sostanzialmente diverse: nel caso dei test al Mugello, la temperatura era di 18 °C con una umidità del 55%: il cielo era poco nuvoloso, mentre nei test svolti a Monza con Fabrizio Pirovano le condizioni erano decisamente peggiori, con 12 °C e pioggia battente.
I dati confermano una interessante situazione legata alla posizione delle termocoppie utilizzate: in zone dove l’efficienza della ventilazione è garantita dalla ampia possibilità da parte del flusso di ricircolare, la condizione è tale per cui in rettilineo la ventilazione permette in particolari condizioni la diminuzione di adddirittura dieci-dodici gradi in tempi di dieci secondi circa, una vera enormeità se si considera che la temperatura di esercizio è di poco superiore ai venti gradi.
La valutazione effettuata chiarisce che il gradiente di temperatura dipende in definiva dai seguenti parametri:
1. Efficienza del sistema di ventilazione;
2. Permeabilità delle membrane utili al passaggio del flusso;
3. Area a diretto contatto con il flusso;
4. Velocità asintotica del flusso;
5. Configurazione di assetto e geometrica.
In termini matematici, la relazione può venire sintetizzata nella seguente espressione:


Fd = 1/2 r Sf Cx V^2

dove:
V? = Velocità asintotica;
Vr = Velocità relativa indotta (velocità geometrica, dipende dalla geometria dei sistemi aerodinamici);
Si = Sezione di ingresso del sistema di ventilazione;
Sr = Sezione di riferimento del sistema di ventilazione;
Ea = Efficienza aerodinamica del sistema (comprende la posizione del pilota);
Ce = Coefficiente di efflusso del condotto di ventilazione;
Cm = Coefficiente di membrana (dipende dalla tipologia del tessuto interno in uso);
Sp = Coefficiente di superficie interna a contatto del flusso in ingresso;
Ti = Temperatura epiteliale interna;
Te = Temperatura epiteliale esterna;
Cc = Coefficiente di condizione fisica (indice di stress fisico);
t = Tempo di esame del fenomeno.

In termini meno matematici, i parametri indicati appaiono quelli da cui il fenomeno dipende in gran parte, ed escludendo gli esponenti di velocità x e y sono tutti lineari.
L’analisi dei valori indica che x e y variano fra 1,1 ed 1,4, Ea fra fra 0,5 ed 1,2, Ce fra 0,8 e 0,84, Cm fra 0,2 e 0,78, Sp fra 0,08 e 0,13, Ti fra i 35 ed i 38 °C, Cc fra 1 e 0,2.
In altri termini, la situazione che si viene a creare è tale per cui i parametri di controllo che possono essere utilizzati per migliorare la condizone fisica del pilota internamente al casco sono Ce (migliorando la configurazione dei sistemi di ventilazione), Sp (aumentando la superficie interna lambita dal flusso), Si (aumentando la sezione di ingresso, ricordando però che contemporaneamente a questa azione si diminuisce Ce e Cm) Cm (migliorando la qualità di permeabilità all’aria dei tessuti).
Inoltre un corretto dimensionamento del sistema permette di massimizzare Cc, in quanto lo stress legato alla guida diminuisce in maniera tangibile se il casco in utilizzo è confortevole.
Nel casco specifico, il valore di Cm misurato durante i test del Mugello è pari a 0,43, mentre nei test a Monza è pari a 0,56 nella zona di influenza del sistema JSW, segno evidente di una configurazione differene del sistema.
In termini più semplici, sembra che la soluzione di rendere maggiormente permeabile al flusso alcune zona del casco in caso di temperatura bassa rendano eccessivamente elevate le differenze di temperatura in casco di scambio termico ad alta velocità, diminuendo in maniera eccessiva la temperatura in caso (per esempio) di pioggia e basse temperature.
Nei test al mugello la velocità (decisamente più elevata) ha comunque portato a diminuzioni di temperatura importanti (spesso superiori a 5 °C) e dunque l’efficienza del sistema JSW è indiscutibile: la semplice chiusura dello stesso comporta un crollo del gradiente di temperatura del 92%, che benchè non totale rappresenta un fatto di notevole interesse.
La spiegazione a questa apparente contraddizione è legata alla massa interna di flusso residuo, che ricircola all’interno del sistema in funzone delle pressioni esterne, creando comunque una variazione di temperatura oscillante con frequenze di circa 10 Hz.
Le considerazioni finali sono dunque le seguenti: appare utile pensare d una configurazione professionale che preveda due cuffie interne al casco amovibili che permettano l’utilizzo differenziato a seconda delle temperature esterne, con la possibilità di realizzare un sistema di intercapedini interne di maggior volume, tali per cui si realizzi una ricircolazione costante del flusso.
Le intercapedini devono essere naturalmente adattate alle condizioni esterne tramite la parzializzazione dei sistemi di inlet ed outlet, che realizzano una efficace forma di controllo del microclima interno: il posizionamento delle intercapedini deve essere pensato in funzione delle zone di maggior generazione di calore, e cioè sulla nuca e sulla parte anteriore-superiore della fronte e delle tempie, ove maggiori potranno essere i benefici di questo sistema.

Osserviamo ora con maggiore attenzione un grafico estratto da una prova specifica: come si vede la posizione della termocoppia condiziona pesantemente la temperatura misurata, in quanto la temperatura 2 è quella dell’epitelio del pilota, mentre la temperatura 1 indica una sostanziale variazione in funzione della velocità.
Poiché i dati sono presentati in funzione della velocità e non del tempo di acquisizione, è interessante osservare come alle alte velocità la temperatura sia sostanzialmente inferiore alla basse sulla T1, mentre la T2 rimane sostanzialmente costante.
A velocità superiori a 200 km/h si nota una oscillazione dei valori misurati, fatto che probabilmente è dovuto alla instabilità del flusso interno al sistema, già evidenziato a suo tempo: In altri termini il flusso interno alla presa aria diviene localmente sonico, creando una instabilità che limita il Ce del sistema e diminuisce la sua efficienza globale.
Alle alte velocità invece la stabilizzazione del flusso interno permette invece una maggiore efficacia ventilante, tale per cui la diminuzione di temperatura è maggiore, e permettendo un innalzamento interessante del valore di Cm artificialmente indotto dalla pressione statica elevato (probabilmente a causa della variazione geometrica degli alveoli del tessuto in utilizzo).


3.2) Analisi dei dati di accelerazione e velocità angolare.
I dati disponibili sono da considerarsi di assoluto interesse, in quanto l’andamento di questi parametri danno precise informazioni sulla capacità di autostabilizzazione del sistema (o, in altri termini sul buffeting del sistema moto-casco-pilota-tuta) e sulla mutua interazione degli stessi elementi.
In buona sostanza le informazioni danno accelerazioni verticali sul casco superiori in certe situazioni (test Checa Mugello) ai due g, con picchi veramente notevoli di 3,13 g o 30,7 m/s2, valori decisamente elevatissimi se si considera che la massa media del sistema testa-casco supera spesso i sette chili.
La forza di inerzia risultante è pertanto superiore ai 21 chili, misurati in corrispondenza dell’inversione di traiettoria fra la curva Casanova e la Savelli del circuito del Mugello: in altra situazione (l’uscita della curva arrabbiata 2 in corrispondenza dello scollinamento) l’accelerazione misurata è pari a 0,33 g, scaricando il pilota del 66% circa del carico sul collo, e passando in circa tre secondi da 14 a 2 chili di peso apparente.
I valori di accelerazione lineare sono anch’essi interessanti: accelerazioni superiori a 1,2 g sono normali nella categoria SS sull’acqua, ed altrettanto vale per i valori di 1,56 misurati sul 500 gp di Carlos Checa.
Altrettanto impressionanti i valori di velocità angolare tradotti dal giroscopio posto sul casco: numericamente valori superiori a 130°/s sono da considerarsi normali, con punte maggiori di 150°/s.
I valori di buffeting misurati nella marcia in rettilineo sono invece sostanzialmente diversi se valutati nei due casi a disposizione: in effetti il velore misurato sul casco di Checa standard (alquanto ripetitivo) è di circa 17 Hz, che sono saliti a 21 nei pochi secondi in cui si è provata la soluzione aerodinamica differente (e dunque le velocità erano sostanzialmente inferiori).
In altri termini, la soluzione proposta migliorava le caratteristiche di efficienza aerodinamica del sistema, e prendeva parte attiva nella ottimizzazione del sistema aerodinamico casco-moto-tuta (compresa di gobba superiore) permettendo una diminuzione della resistenza valutabile (da elaborazioni realizzate con le dimensioni di gobba date dai tecnici Aplinestars attraverso il programma Delfrin) in 2,33 kg, valore piccolo se considerato in valore assoluto ma importante in funzione dell’oggettivo miglioramento in termini di comfort.
Va sottolineato che la “gobba” della tuta Alpinestars ha ampi margini di miglioramento: modificando in maniera limitata la forma della stessa sono emersi miglioramenti del 330% rispetto ai valori misurati e calcolati sull’attuale configurazione.
In ultimo, va sottolineato che esiste la possibilità di realizzare un efficace sistema di ventilazione interna della tuta sfruttando in maniera relativamente semplice l’appendice aerodinamica in esame e un sistema misto ed integrato tipo back-protector che funga anche da diffusore per il flusso in elaborazione del sistema.
Nel caso di Pirovano, i valori di buffeting sono stati leggermente maggiori: alla massima velocità infatti il casco dimostrava di avere frequenze oscillanti mediamente attorno ai 12 Hz davanti ai box, che si alzavano però a 19 Hz nella parte restante del rettilineo.
La spiegazione a questa apparente contraddizione è da ricercare nella posizione del pilota, che osservava il muretto box al momento del passaggio, e dunque creava una condizione di instabilità dinamica del sistema.
La differenza misurabile fra i valori di buffeting misurati sullo stesso casco fra Checa e Pirovano è dunque da imputarsi alla differente aerodinamica dei mezzi dei due piloti: in altri la maggiore estensione del cupolino Suzuki migliora (come del resto è facile immaginare) le caratteristiche di autostabilità del sistema, permettendo al casco di ricevere una minore aliquota di flussi oscillanti.
Questo fatto comporta in buona sostanza una maggiore autostabilità del casco, evidente in quanto a minori velocità (260 km/h contro un picco di 313) si misurano valori di buffeting superiori d un 10% circa: calcoli teorici indicano che a parità di velocità il miglioramento potrebbe attestarsi attorno al 21%.
Relativamente alla soluzione ideale in esame, si è ritenuto interessante fornire una geonmetria semplificata a standard IGES utilizzata per le simulazioni Delfrin, allegata alla relazione.


3.3) Analisi dei dati di pressione.
Come già detto in occasione dei test relativi alla valutazione dei dati di temperatura, le attese di funzionalità del sistema JSW superiore e delle prese superiori laterali del sistema N92R hanno fornito interessanti indicazioni, benchè la limitatezza del trasduttore abbiano giocato una parte preponderante nella limitazione dei dati a disposizione.
Principalmente la lunghezza del tubetto trasduttore ha causato una certa perdita della caratteristiche dinamiche del segnale: infatti le caratteristiche di comprimibilità dell’aria hanno creato limitazioni nella misurazione delle oscillazioni di pressione, che in realtà sono probabilmente molto più evidenti di quello che si è misurato.
In ogni caso la valutazione delle caratteristiche dinamiche del sistema indica che a cavallo dell’inlet R la pressione sale fino a valori superiori a 1,24 bar sul casco Checa, ed a 1,18 bar su quello di Pirovano, mentre la depressione sul JSW del casco Checa raggiunge l’interessantissimo valore di 0,44 bar, non lontano dagli 0,36 bar misurati sul casco Pirovano.
La valutazione di questi valori sarà migliore al momento d poter disporre di una maggiore mole di dati misurati tramite sistemi più sensibili, come microtrasduttori di pressione da piazzare direttamente sul casco in modo da minimizzare la lunghezza di tubicini di raccordo.

4) Conclusioni.
Benchè i risultati ottenuti non siano stati completamente analizzati nella presente relazione, le indicazioni ottenute sono decisamente interessanti: in effetti l’analisi degli interni può diventare decisamente molto più precisa tramite queste informazioni numeriche che permettono validazioni di miglioramenti, e lo stesso si può dire di tutti i parametri allo studio.
Particolare importanza rivestono infatti le valutazioni comparate di differenti configurazioni aerodinamiche, realizzabili oltretutto anche in ambienti controllati (come gallerie del vento) una volta definiti i parametri di conversione del sistema.

 
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