Paul Lew: L’influenza dell’angolazione delle fibre di carbonio sulle caratteristiche della ruota

Paul Lew: L’influenza dell’angolazione delle fibre di carbonio sulle caratteristiche della ruota

12/05/2014
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12/05/2014

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Continua la serie di articoli proposti da Paul Lew, direttore tecnologia ed innovazione di Reynolds, sulla dinamica delle ruote. In questo articolo viene spiegata l’influenza che ha l’angolazione delle fibre di carbonio sulle caratteristiche e prestazioni della ruota (in carbonio evidentemente).

Venticinque anni fa, quando ho cominciato a progettare cerchi in fibra di carbonio, la fibra di carbonio unidirezionale era praticamente sconosciuta all’industria ciclistica. Il termine “fibra di carbonio”era associato al tessuto di fibra di carbonio intrecciato. Oggi la fibra di carbonio unidirezionale è associata a praticamente qualunque prodotto in carbonio ad alte prestazioni.

La fibra di carbonio intrecciata ha una funzione utile in particolare nelle aree in cui è necessario un rinforzo o si applicano forze ad alta tensione. La fibra di carbonio unidirezionale ha molti vantaggi rispetto la fibra intrecciata, tra cui:

  1. Un più favorevole rapporto fibra/resina rispetto l’intrecciato. La fibra unidirezionale laminata è tipicamente stampata con un rapporto fibra/resina di circa il 70% fibra/30%resina, mentre per l’intrecciato il rapporto è più basso, con al massimo 50% fibra/50%resina.
  2. Risparmio di peso. Grazie al miglior rapporto fibra/resina, il laminato di fibra unidirezionale è tipicamente più leggero rispetto l’intrecciato.
  3. La fibra di carbonio unidirezionale è calibrabile in un modo non possibile con quella intrecciata.  Rispetto la fibra di carbonio intrecciata quella unidirezionale può essere ingegnerizzata in modo da essere anisotropa. In parole povere ciò significa che il progettista può avere resistenza, rigidità e flessibilità o altre proprietà, in un piano specifico o in una direzione ortogonale della fibra di carbonio unidirezionale. La fibra di carbonio intrecciata al contrario è considerata una struttura ortotropa in un piano della trama e trasversalmente isotropa nel laminato.

La combinazione risultante da questi fattori crea un sistema ideale per l’uso ingegneristico della fibra di carbonio unidirezionale per cerchi da bicicletta e ruote, grazie al fatto che la costruzione di un cerchio per bicicletta è basato su multipli strati di fibra di carbonio in varie angolazioni.

Il numero di questi strati e la direzione della fibra di ogni strato definiscono le caratteristiche prestazionali del cerchio. Ci sono tre condizioni base nell’orientamento della fibra unidirezionale:

·         Condizione 1 – Resistenza del cerchio:  in  questa condizione le fibre di carbonio unidirezionali sono posizionate con il loro verso longitudinale che segue la forma base del cerchio. Gli estremi dei pezzi unidirezionali si sovrappongono gli uni con gli altri, in modo che la rigidità e resistenza si opponga alla tendenza del cerchio a deformarsi nella forma di un ovale o uovo. Questa particolare condizione è ideale per ruote con un basso numero di raggi. La grande resistenza e rigidità del cerchio permette che ogni singolo raggio debba fare minor lavoro per mantenere la ruota rotonda, in questa modo è necessario un minor numero degli stessi.rim-conditions-1(1)

.  Condizione 2 – Resistenza agli impatti:  In questa condizione la fibra unidirezionale è disposta con il verso longitudinale che segue la proiezione radiale dal centro del cerchio. Così sono, più o meno, perpendicolari rispetto l’orientamento delle fibre che danno resistenza al cerchio. Queste fibre resistono agli impatti derivanti dalla strada longitudinalmente, e quindi alle pericolose forze che possono rompere il cerchio.

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  • Condizione 3 – Resistenza torsionale:  in questa terza condizione le fibre unidirezionali  sono disposte longitudinalmente in una posizione “sbieca” in modo che due strati siano sovrapposti tra loro per prevenire torsioni. Generalmente le fibre sono orientate a più di 45° e meno di 45° per dare resistenza del cerchio, e +45° e -45° rispetto l’orientamento degli impatti per dare resistenza torsionale in modo ottimale. In particolare in ruote con pochi raggi la combinazione di resistenza del cerchio e resistenza torsionale sono importanti per via del fatto che si fa affidamento minimo sui raggi per mantenere la forma del cerchio.

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Per concludere non esiste un design perfetto per una singola condizione. Ognuna delle tre condizioni contribuisce alla prestazione ottimale del cerchio ed è necessaria nei giusti rapporti in modo da essere calibrata per l’utilizzo specifico del cerchio.

Per chiarire meglio ecco alcuni esempi approssimativi:

Triathlon/ Crono

Condizione 2: 50%
Condztione 2: 15%
Condizione 3: 35%

Corsa su strada

Condizione 1: 30%
Condizione 2: 30%
Condizione 3: 40%

MTB

Condizione 1: 20%
Condizione 2: 40%
Condizione 3: 40%

Reynolds  considera le forze dinamiche, particolari e complesse che agiscono su ogni parte del cerchio e della ruota ed assegna precisamente  lay-ups differenti di fibra di carbonio in zone distinte, oltre a creare lay-ups differenti per ogni tipologia di ruota. Come diciamo sempre: non c’è nessuna fibra composita che va bene per tutto.