Un inedito telaio con forcellone integrato è stato brevettato da BMW

Da qualche giorno, circolano in rete schemi di un brevetto depositato da BMW dai quali si evince lo studio di un inconsueto telaio che incorpora il forcellone. La particolarità del sistema, risiede nell’assenza del pivot del forcellone che ‘tradizionalmente’ permette l’oscillazione dello stesso rispetto al telaio.

Il vantaggio del sistema, avendo eliminato il perno e gli altri elementi necessari all’accoppiamento tra forcellone-telaio e rendendo di fatto i due componenti come un’unica struttura, è rappresentato teoricamente da un risparmio in termini di peso e da una maggiore rigidezza del sistema non essendoci più parti mobili. L’assenza dei vari cuscinetti, snodi, boccole dovrebbe garantire anche una maggior affidabilità essendo riusciti ad eliminare parti soggette ad usura e a manutenzione.

L’OSCILLAZIONE

Il forcellone, di conseguenza la ruota posteriore, come fa ad oscillare? La domanda è più che legittima vista l’assenza del perno. La risposta può essere trovata andando a richiamare uno schema sospensivo usato in diversi ambiti per la sua robustezza e semplicità. Oltre agli autocarri ed ai fuoristrada, le molle a balestra sono state utilizzate anche come sospensione posteriore della Fiat Panda del precedente millennio. Ovviamente con questo esempio non si vuole sminuire il lavoro e la ricerca dei tecnici bavaresi, piuttosto si vuole porre l’accento sul nocciolo della questione per poi traslarlo al concetto introdotto da BMW. Le sospensioni a balestra sono formate da una serie di lamine metalliche di diverse lunghezze e sovrapposte tra loro. La più lunga, detta ‘maestra’, è vincolata al telaio alle due estremità mentre le altre sono vincolate tra loro e alla maestra tramite delle staffe. Una trave vincolata ai due estremi (i punti di attacco del telaio) e sollecitata in mezzeria (la spinta che la ruota trasmette alla sospensione) è caratterizzata da un momento flettente di forma triangolare con la massima sollecitazione al centro e minima ai due estremi. Questo è il motivo per cui le lamine sono sovrapposte in modo tale da formare una struttura, quasi triangolare, più robusta al centro con l’intento di uniformare lo stress meccanico lungo la struttura.In altri termini si sfruttano le caratteristiche meccaniche del materiale per garantire una flessione nella direzione normale alle lamine consentendo l’escursione della ruota. Modificando dimensioni e numero delle lamine sovrapposte si può intervenire sulla flessibilità del sistema.

BMW riprende in chiave ‘moderna’ il concetto – la flessione in una direzione (verticale) del materiale sottoposto a diverse sollecitazioni - sfruttando la sua conoscenza nella progettazione di strutture in materiale composito in fibra di carbonio grazie all’esperienza maturata sia in campo automobilistico, con le vetture delle serie elettrica “i”, sia in campo motociclistico con l’elitaria HP4 il cui prezzo di listino al lancio era di 80000€.

Uno dei vantaggi che ha permesso ai materiali compositi in fibra di carbonio di essere utilizzati in tantissimi settori, è quello di riuscire a coniugare ottime caratteristiche meccaniche alla leggerezza (se comparata ad altri materiali come acciaio e alluminio). Una ulteriore caratteristica della fibra di carbonio è l’anisotropia ossia il materiale non è caratterizzato da una risposta omogenea in tutte le direzioni alle sollecitazioni ma possiede delle direzioni preferenziali. In alcune applicazioni può rappresentare un problema ed occorre sovrapporre diversi strati di materiale, con fibre orientate in diverse posizioni, che opportunamente progettati possono restituire al componente un comportamento quasi isotropo. In altre applicazioni, come quella del brevetto in questione, questa caratteristica del materiale può essere favorevolmente sfruttata. Infatti il forcellone, privo del perno attorno a cui ruotare, deve essere in grado di flettere ortogonalmente rispetto al terreno, per permettere la necessaria escursione della ruota, ma di contro deve essere rigido alle sollecitazioni laterali e alla torsione per garantire una corretta dinamica di guida. Questo può essere ottenuto differenziando la risposta alle sollecitazioni nelle diverse direzioni grazie ad una adeguata orientazione delle fibre. Inoltre bisogna ricordare anche la possibilità di utilizzare materiale composito con fibre unidirezionali che, rispetto ad una trama intrecciata, garantisce prestazioni maggiori ma solo in una direzione quindi bisogna essere certi che la struttura non subisca carichi in altre direzioni oltre a quella preferenziale.

Le caratteristiche meccaniche per un determinato componente realizzato in materiale composito possono essere ottenute intervenendo su diverse variabili (tipo di fibra, tipo di resina, numero di strati, orientazione ecc) alle quali concorrono anche le conoscenze tecnologiche aziendali acquisite negli anni per la lavorazione del carbonio. E’ chiaro quindi che si possono intraprendere diverse strade per arrivare al risultato voluto, ma analogamente alla realizzazione delle sospensioni a balestra, in cui si sovrappongono diverse lamine, una struttura in materiale composito è formato da diversi ‘fogli’ sovrapposti che nel caso in esame consentono al forcellone di flettere in maniera controllata.

LO SMORZAMENTO 

Chiarito come il forcellone possa oscillare, la domanda successiva è come controllare lo smorzamento delle sollecitazioni. Sembra difficile che si possa seguire la filosofia costruttiva introdotta in ambito ciclistico ove, nella disciplina ‘cross country’ della MTB, alcune Marchi propongono soluzioni denominate ‘soft tail’. Per ‘coda morbida’ si intende la categoria a metà strada tra le ‘hard tail’ (con la sola sospensione anteriore) e le bi-ammortizzate. L’aggettivo soft, riferito al retrotreno, indica proprio la capacità di flettere del carro posteriore della bicicletta per avere maggior confort e una maggior propensione a superare le piccole asperità del terreno. Per rendere il concetto più concreto si pensi al classico righello 'piatto' caratterizzato da una dimensione - la larghezza - nettamente più grande dell'altra - lo spessore -. Se si appoggia il righello sulla scrivania e poi lo si solleva con le mani afferrandolo alle due estremità cercando di incurvarlo, questo fletterà senza rompersi (entro certi limiti) e tenderà a ritornare nella sua posizione di partenza poichè si è nel campo delle sollecitazioni elastiche. Se invece ruotiamo il righello di 90° questo tenderà a flettere molto meno applicando la medesima forza. Trasferendo il concetto appena esposto al retrotreno della MTB rappresentata in figura, si nota come i piani contenenti la dimensione maggiore (trasversale) della sezione di entrambi i bracci del carro (superiore ed inferiore) siano paralleli al terreno e quindi il carro tenderà a flettere verticalmente ma non lateralmente.  Il risultato può essere ottenuto, oltre che intervenendo sulle geometrie e sulle sezioni dei tubi utilizzati, anche differenziando il materiale usato tra il triangolo anteriore della bicicletta ed il carro posteriore.

In ambito motociclistico, a maggiora ragione nel settore racing, sembra improponibile ipotizzare una soluzione analoga a causa delle forze che la ruota posteriore trasmette al forcellone. Osservando il disegno del brevetto, anche se non è rappresentata la sospensione posteriore, si nota la presenza dell’attacco superiore per il mono-ammortizzatore. Per cui si può ipotizzare un primo scenario in cui il telaio-forcellone sia dotato solamente dello stantuffo per le regolazioni idrauliche della sospensione, ed un secondo ove viene utilizzata anche la molla, ma di dimensioni minori rispetto allo ‘standard’, per poter intervenire sul precarico e reagire alle piccole sollecitazioni. Le grandi sollecitazioni sarebbero comunque demandate alla capacità flessionale della struttura in materiale composito. Ulteriore vantaggio del sistema è l’assenza del leveraggio della sospensione la cui funzionalità può essere sopperita da una adeguata ingegnerizzazione del sistema come i quattro ‘layers’ sul ramo superiore del forcellone e altrettanti su quello inferiore indicati in figura con il numero 34.

Come tutti i brevetti è difficile prevedere se poi verrà effettivamente sviluppato e implementato per la produzione in serie, intanto il sito britannico MCN ha sovrapposto il disegno del brevetto sulla sagoma di una BMW HP4, e visivamente i punti di ancoraggio sembrano essere coincidenti. Non resta altro che aspettare per vedere se nel futuro la nuova generazione della supersportiva bavarese adotterà questo particolare telaio con forcellone integrato.