Paul Lew: la rigidità della ruota

Paul Lew: la rigidità della ruota

20/03/2014
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20/03/2014

Sul sito Reynolds sono e saranno disponibili degli articoli scritti da Paul Lew, direttore tecnologia e innovazione del marchio americano (e già inventore delle ruote che portavano il suo nome). Il primo tratta della rigidità della ruota e ve ne proponiamo qui una traduzione.

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Paul Lew

Nel mondo della dinamica della ruota una ruota “buona” significa sempre mettere assieme rigidità ed elasticità, o più specificamente, una buona ruota è rigida lateralmente ed elastica in senso verticale.

Ciò cosa vuol dire? In termini ingegneristici significa che la ruota deve avere una deflessione minima lateralmente (da lato a lato) ed allo stesso tempo una deflessione massima in senso verticale (alto-basso).

In questo articolo si parlerà delle variazioni dinamiche dovute ai mozzi, raggi e cerchi e la loro influenza sulle caratteristiche di una ruota.

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Il mozzo– Il mozzo di una ruota è la sua parte centrale, la sua ancora. Determina il 40% della rigidità/elasticità di una ruota. I componenti chiave del mozzo sono il suo corpo e le flange. Per quello che riguarda il tipo di inserimento della testa del raggio, se dritto (straight pull) o curvo, le flange del mozzo hanno lo stesso ruolo e stesso effetto.

Il corpo di un mozzo e le sue flange possono flettere anche di 0,5mm sotto la tensione di un raggio. Con 100-130kg di tensione per raggio si ha una trazione verso l’esterno sul corpo e flange del mozzo che può superare i 2000kg. Questa forza porta stress notevoli alla struttura del mozzo con effetti che possono andare dalla deformazione delle sedi dei cuscinetti fino alla rottura delle flange. Proprio a causa di queste grandi forze in gioco le tolleranze dei cuscinetti devono essere considerate con grande attenzione. Installare i cuscinetti nel mozzo prima e/o dopo la tensionatura della ruota è un fattore molto importante da considerare nella progettazione e nelle specifiche di un mozzo.

Un mozzo ben progettato e costruito non deve deformarsi per le forze statiche e dinamiche di una ruota tensionata, e deve servire come solido punto di ancoraggio per i raggi se installati con tensioni elevate. Flange larghe contribuiscono a minimizzare la deflessione laterale ed allo stesso tempo incrementare la rigidezza verticale, ovvero contribuiscono a creare una “buona” ruota.

I raggi– La rigidità dei raggi ed il loro numero sono responsabili di un altro 40% della rigidità della ruota. Il tipo di incrocio e la loro tensione non ha grande impatto sulla rigidità. Incrementare il numero di raggi in una ruota, passando ad esempio da 16 a 20 raggi, incrementa la rigidità laterale della ruota di circa il 30%. Incrementare il diametro dei raggi o cambiare il loro profilo passando ad esempio da uno spessore variabile 2.0/1.8/ 1.5 mm  ad uno spessore costante 2mm incrementa la rigidità complessiva della ruota del 65%.

Al contrario del mozzo che è bi-dimensionale, e può contribuire favorevolmente sia alla rigidità laterale che al comfort verticale, i raggi sono monodimensioali, nel senso che un raggio rigido (che resiste alla flessione) incrementa o diminuisce sia la deflessione laterale e quella verticale allo stesso modo. E contrario, nel caso di un raggio che si piega facilmente.

Alcuni ciclisti credono che il tipo di incrocio possa incrementare la deflessione verticale minimizzando allo stesso tempo quella laterale, ma non è vero. Il tipo di incrocio incrementa sia la deflessione verticale che quella laterale.

In più la tensione dei raggi è sovrastimata nell’influenza che ha sulla rigidità della ruota, gioca infatti un ruolo minimo.

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Il cerchio – Il cerchio determina circa il 20% della rigidità di una ruota. La rigidità del cerchio è infatti funzione della geometria della sezione e della rigidità circonferenziale.

Per un progettista di ruote è comune pensare ad un cerchio in termini di “rapporto d’aspetto” ( il rapporto fra la dimensione più lunga e quella più corta di una figura bidimensionale -ndr-). La rigidità circonferenziale o la tendenza di un cerchio a deformarsi da un tondo ad un ovale è influenzata dalla sezione e dal tipo di materiale, ma la la maggior influenza è dovuta dalla sezione del rapporto d’aspetto.

Un alto valore di rapporto d’aspetto di un cerchio porta ad una maggiore altezza rispetto alla larghezza. Un basso valore ad una larghezza maggiore dell’altezza. Un rapporto d’aspetto neutro da un cerchio tanto alto quanto largo.

Tipicamente, un basso valore di rapporto d’aspetto di un cerchio contribuisce favorevolmente ad avere una deflessione minima lateralmente ed una moderata o alta deflessione verticale.

Se un basso rapporto d’aspetto del cerchio può essere ragionevole per una ruota da Mtb, un alto rapporto d’aspetto è maggiormente attraente per una ruota da bdc o triathlon visto che si può ottimizzare l’aerodinamica. Un alto rapporto d’aspetto risulterà in una grande rigidità circonferenziale richiedendo meno raggi, altro fattore che contribuisce all’ottimizzazione aerodinamica.

Se la rigidità di un cerchio può essere indipendente dal materiale, ciò significa che un ingegnere può disegnare un cerchio abbastanza rigido indipendentemente dal materiale fino a che il peso del cerchio non sia un fattore da considerare. La fibra di carbonio ha la proprietà unica di avere bassa massa, la possibilità di poterne decidere la rigidità, grande robustezza ed una vita a fatica illimitata. Proprietà impossibili da ottenere con leghe metalliche. E pertanto è il materiale ideale per costruire cerchi e ruote ad alte prestazioni.

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Il prossimo articolo tratterà dell’effetto del tipo di incrocio, numero di raggi, tensione e differenti tipi di angolazione delle fibre di carbonio sulla rigidità della ruota.