Università degli Studi di PadovaDipartimento di Ingegneria Industriale

Valutazione della vita a fatica e della stabilità dinamica di una carrozzina equipaggiata con

ruotino anteriore motorizzato

ExposanitàBologna, 21 Aprile 2018Prof. Nicola Petrone, Ing. Enrico Milan

Oggetto dello studioCarrozzina manuale + ruotino anterioremotorizzato• Ruotine anteriori sollevate da terra

→ Può affrontare terreni sconnessi• Veloce e facile da collegare• Permette di muoversi senza sforzo• Leggero e facile da maneggiare

Dispositivi utilizzati per lo studio

KLAXON KLICK OFFCARR RUOTINO

Motore: 250 WVelocità massima: 15 km/hBatteria: 6 o 11 AhAutonomia: 25 o 50 kmRuota: 14’’Massa: 8+1,5 (3) kg

Motore: 250 WVelocità massima : 18 km/hBatteria: 11 AhAutonomia: 50 kmRuota : 14’’Massa: 10 + 2,5 kg

Scopo del lavoro

RESISTENZA STRUTTURALESTABILITÀ DINAMICA

Valutazione della vita a faticaStabilità dinamica in curva

Drum testProve su strada

COMPARAZIONEStabilità = f (velocità; raggio)

Parte 1: Stabilità dinamica

RESISTENZA STRUTTURALESTABILITÀ DINAMICA

Valutazione della vita a faticaStabilità dinamica in curva

Drum testProve su strada

COMPARAZIONEStabilità = f (velocità; raggio)

Sensori applicati

Dispositivo anti-ribaltamento

XY

Z

Y

X

Z

4 sensori Xsens:1. Tubo sterzo → Angolo sterzo2. Assale carrozzina→ Rollio3. Ruota sinistra → Velocità4. Ruota destra → Velocità

1

23

4 2

31

Y X

Z

Xsens misura:• Angolo• Velocità di rotazione• Accelerazione

Metodo

+16°

-164°

-2°

T = tempo per percorrere la curva

t1

𝑖𝑖𝑛𝑛𝑛𝑛𝑖𝑖𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑛𝑛𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠 = 100 ×𝑠𝑠1𝑇𝑇 = 100 ×

2.73.9 = 69% (𝑛𝑛𝑠𝑠𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒)

R

Raggi analizzati:1, 2, 3, 4, 5 and 6 m

Velocità analizzate:4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 km/h

Soglia di stabilità: -2°

Ambiente di prova:• Campo da basket in cemento

(alto attrito)• Pavimento industriale

(basso attrito)

Risultati

Rag

gio

[m]

1 3 3 0 0 0 0 0

2 3 3 3 0 0 0 0

3 3 3 3 3 0 0 0

4 3 3 3 3 2 0 0

5 3 3 3 3 3 2 1

6 3 3 3 3 3 3 2

4 6 8 10 12 14 16Velocità[km/h]

Risposta dinamica Indice di stabilità[%] Punteggio

Nessun ribaltamento [0 ; 19] 3

Ribaltamento incipiente [20 ; 34] 2

Ribaltamento frequente [35 ; 49] 1

Completo ribaltamento [50 ; 100] 0

L’indice di stabilità è diviso in quattrocategorie, un punteggio corrisponde adogni categoria.

Clear cut off between stability and tipping zone.

Rag

gio

[m]

1 3 3 0 0 0 0 0

2 3 3 3 0 0 0 0

3 3 3 3 3 0 0 0

4 3 3 3 3 1 0 0

5 3 3 3 3 3 0 0

6 3 3 3 3 3 3 0

4 6 8 10 12 14 16Velocità [km/h]

Pavimento in cemento Pavimento industriale

Sogliamarcata tra

aree di stabilità e instabilità

Discussione

• È stato elaborato un metodo di prova pervalutare in modo quantitativo la stabilitàdinamica in curva.

• Il fondo stradale influenza notevolmente lastabilità dinamica.

Sviluppi futuri:• Miglior controllo di velocità con centraline

dedicate.• Test senza dispositivo anti ribaltamento

utilizzando dei manichini.

Parte 2: Resistenza strutturale

RESISTENZA STRUTTURALESTABILITÀ DINAMICA

Valutazione della vita a faticaStabilità dinamica in curva

Drum testProve su strada

COMPARAZIONEStabilità = f (velocità; raggio)

Sensori applicati

FR

LET LEB WCR WCL

FL ACX

ACY

ACZ

ACF

LET: Ponte intero

WCR: Mezzo ponte

ACFFR & FL: Mezzo ponte

ACF: Monoassiale

6 canaliestensimetrici• WCR• WCL• LET• LEB• FR• FL

Calibrazione ponti estensimetrici

CanaleCostante di

calibrazione𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝒎𝒎𝒎𝒎

R2

WCR 225,263 0,99996WCL 226,516 0,99998LEB 401,892 0,99989LET 239,765 0,99998FR 77,979 1,00000FL 72,929 1,00000

y = 226,5x – 0,3R² = 1

-100

-50

0

50

100

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4

M (N

m)

WCR (mV/V)

WCR

Test su strada e valutazione della vita a fatica

Tester 1,92 m, 74 kg.Lunghezza 21 km, velocità media 8,5 km/h• Asfalto 15 km• Ghiaino 2 km • Pavè 3,5 km • Ciottolato 0,5 km

Vita prevista = 5000 km/anno * 5 anni = 25’000 km

71%

11%

17%

2%Asfalto Ghiaino Pavè Ciottolato

0

100

200

300

400

500

600

1.0E+02 1.0E+04 1.0E+06 1.0E+08

WCL

Mom

ento

flet

tent

e [N

m]

Cicli cumulati

Load-Lifecurve

Targetspectrum25000 km

Curva di Wohler virtualeDanno = 1σkN = costanteΔMeq=115 Nm k=4

ΔMeq

Drum test

Drum test ISO 7176-8Requisiti:200’000 cicliVelocità rulli: 1m/sDiametro dei rulli: 230 mmAltezza ostacoli: 12 mmMassa manichino: 96 kg

Masse addizionali poste su:• Elemento di collegamento• Impugnature manubrio

Risultati dei test di valutazione della vita a fatica

0

100

200

300

400

500

600

1.00E+02 1.00E+04 1.00E+06 1.00E+08

WCL

Mom

ento

fle

tten

te [N

m]

Cicli cumulati

Virtual Load-Life curve

Target field spectrum25000 kmTest bench spectrumafter 200000 cycles

DRUM TEST DAMAGE• 200’000 cicli sui rulli

rappresentano solo il 5%del danno provocato da25’000 km su strada.

• Per ottenere un dannoequivalente a 25’000 kmsu strada servirebbero,3’700’000 (66 days) cicli→È REALIZZABILE?

Discussione

• Il drum test così com’è pensato per le carrozzinenon è in grado di produrre un dannoequivalente per un sistema carrozzina + ruotino.

• L’utilizzo di ostacoli più alti o di rulli a cammapuò essere provato per ottenere una prova piùrappresentativa.

• Punto aperto: chi dovrà eseguire i test e dichiarare la sicurezza dei sistemi Add-on? Il costruttore del ruotino, il costruttore dellacarrozzina o entrambi?

Ringraziamenti

• KLAXON e OFFCARR per aver fornito il materialeper i test.

Grazie per l’attenzione