Modelli per la simulazione del sistema motociclo-uomo e identificazione delle proprietà biomeccaniche del pilota

Bicycle and motorcycle dynamics is a very complex issue, but nowadays with the modern computational tools we are able to implement and understand the equation of motion of the two wheeled vehicles. Usually the bodies that compose the vehicle, including the rider, whose mass is a relevant share of the total mass in two wheeled vehicles are modeled as rigid. Both vehicles part flexibility and rider mobility have a considerable influence on the dynamic of bicycle and motorcycle and in order to obtain reliable results it is necessary to take into account of them in the dynamic simulation. The passive response of the rider’s body to vibrations influences the dynamics and stability of the whole system, hence advanced models of two-wheeled vehicles have to include a passive biomechanical model of the rider. While it is known that the presence of the rider could strongly influence the mode of vibrations and hence the safety of a motorcycle, very few studies was carried out to improve the knowledge on rider biomechanical properties and motorcycle rider interaction. This work deals with the development of biomechanical models able to simulate the response of the rider to roll, yaw and steer oscillations. The second chapter is an overview on the experimental equipment designed for these kind of tests and a description of the test method. The chapters three and four deals with the development of biomechanical rider models for roll and yaw movement: the responses of the districts of the human body are measured by means of rate gyros and the frequency response functions (FRFs) between the measured angular velocity and the enforced angular velocity are calculated. Then biomechanical parameters are identified by means of best fitting techniques. Chapter five deals with an improved identification technique: the calculation of the impedance of the whole rider to roll excitation; in this case the measurements of the reacting forces and torques are carried out, and the frequency response functions (FRFs) between the measured reaction forces and the enforced angular velocity are calculated. In order to validate the theoretical rider models also some experimental road test were carried out: the methodology and the results are described in chapter six. In chapter seven all the biomechanical rider models are implemented in a simple two wheeled vehicle, in order to well understand the differences between the models and them influence on the dynamic. Chapter eight deals with the development of a special test bench for the measurement of motorcycle parts stiffness: the first part is a description of the design of the bench, while in the second part is presented the methodology to identify the stiffness of the main motorcycle parts.

In questo lavoro vengono riassunti i principali risultati ottenuti nell’identificazione di modelli biomeccanici di pilota per veicoli a 2 ruote. La presenza del pilota nei veicoli a due ruote influenza notevolmente la dinamica del sistema poiché, contrariamente a quanto succede per i veicoli a quattro ruote, il pilota rappresenta una frazione di massa rilevante dell’intero sistema, e pertanto è fondamentale considerarlo nelle simulazioni per ottenere dei risultati affidabili. Il pilota esercita due tipologie di azioni differenti sul veicolo: • azioni di tipo volontario, cioè applicazione per esempio di una coppia di sterzo al fine di eseguire una particolare manovra • azioni involontarie o passive, correlate alle proprietà dinamiche intrinseche del corpo umano Mentre il primo campo, quello delle azioni volontarie, risulta importante per la simulazione di manovre eseguite da veicoli, come per esempio uno slalom oppure un giro di pista virtuale, il secondo, cioè quello delle azioni involontarie è determinante per lo studio della stabilità dei veicoli; è infatti noto che la dinamica del veicolo a due ruote è caratterizzata da modi di vibrare che possono diventare instabili e dare origine a condizioni di pericolo. Diversi modelli biomeccanici di pilota sono stati sviluppati in questo lavoro: oltre al modello realizzato con moto imposto allo sterzo già realizzato dal nostro gruppo di ricerca [4][1], sono stati sviluppati diversi modelli con moto imposto di rollio ed imbardata. La prima parte del lavoro svolto è stata dapprima la realizzazione dell’apparato sperimentale per la realizzazione di queste particolari tipologie di prove e la messa a punto del sistema di eccitazione e di misura, come descritto nel secondo capitolo della tesi. I capitoli tre e quattro descrivono lo sviluppo dell’identificazione biomeccanica del pilota rispettivamente per il moto di rollio ed imbardata imposto mediante misure di spostamenti di punti caratteristici: in particolare sono stati sviluppati diversi modelli multibody di pilota, cioè composti da corpi rigidi e rigidezze e smorzamenti concentrati ed infine è stata implementata la procedura di interpolazione dei dati sperimentali con il modello teorico. Il capitolo 5 descrive una procedura alternativa di identificazione, basata sul concetto di impedenza meccanica: in particolare è stata messa a punto un apparato sperimentale migliorato che consente la misura delle forze e coppie di interazione tra veicolo e pilota. Nel capitolo 6 viene presentata un’analisi sperimentale dedicata all’influenza del pilota sul modo di weave della motocicletta, che consente un confronto con alcuni modelli teorici ricavati in laboratorio. Sucessivamente, al capitolo 7 tutti i modelli di pilota biomecanici identificati dalle prove sperimentali sono implementati in un modello di veicolo a 2 ruote piuttosto semplice, cioè non dotato di modello di pneumatico, in modo tale da evidenziare le differenze sulla stabilità del veicolo ottenute con i vari modelli. Il capitolo 8 è dedicato invece allo sviluppo di un banco prova sperimentale per la caratterizzazione delle proprietà di rigidezza di componenti motociclistici, dalla progettazione alla messa a punto del sistema di misura alle metodologie di elaborazione di dati sperimentali.