Progettazione

La progettazione di un rimorchio è spesso il risultato dell'unione tra l'esperienza e le conoscenze acquisite nel corso degli anni dalle aziende produttrici e il know-how degli utenti finali. In generale, le buone soluzioni si applicano anche alle vetture leggere realizzate con acciai altoresistenziale. Tuttavia, pur permettendo nuove soluzioni, l'acciaio AHSS richiede modifiche di progettazione al fine di trarre i benefici dati dalla maggiore resistenza.

Un comune telaio di rimorchio si compone di due travi longitudinali principali prodotte o da profili laminati a caldo standardizzati o da travi a doppia "T" saldate e un numero di barre trasversali. Per le barre trasversali possono essere ideate soluzioni con profili aperti, tubi o profili rettangolari. A seconda del tipo di rimorchio, al telaio possono essere anche attaccate solette e diversi profili di supporto. La zona del perno di articolazione del rimorchio è generalmente composta dalla relativa lastra e da alcuni profili di rinforzo.

Generalmente, il potenziale di miglioramento di un telaio per rimorchio non è limitato solo dalla capacità statica di trasporto del carico, ma anche da problemi di fatica e stabilità. Per questo motivo, trovare una soluzione con un carico adeguato al progetto esistente costituisce un buon punto di partenza, ma per poter disporre di una vettura con prestazioni adeguate o migliori è necessario considerare anche gli altri aspetti tecnici. È importante sottolineare che una progettazione e un processo produttivo non all’avanguardia riducono il potenziale di miglioramento.

Per un telaio per rimorchio in acciaio dolce, il dimensionamento del caso di carico è in genere la capacità di carico per quanto riguarda le deformazioni permanenti. In un telaio per rimorchio leggero in cui è stato ridotto lo spessore e aumentato il livello di sollecitazione da lavoro, la capacità di carico e la vita utile sono limitate da fatica, deflessioni elastiche e stabilità.

Rimorchi soggetti a diverse condizioni di carico durante la manutenzione.

Per ottenere un miglioramento corretto, è importante tenere conto di tutte le condizioni di carico,
a) stanchezza in caso di frequenti cicli di carico a bassa sollecitazione,
b) deformazioni elastiche durante il funzionamento,
c) carico sopportabile, nessuna deformazione permanente al carico massimo,
d) stabilità durante il funzionamento.

Strenx^® 700 MC è comunemente utilizzato in soluzioni leggere per telai per rimorchi. Il miglioramento di un telaio per rimorchio da una qualità 350 con Strenx^® 700 MC comporta generalmente una riduzione del peso di circa il 30% per le parti strutturali del telaio, ma a seconda della progettazione del telaio, il potenziale di riduzione del peso può essere più elevato, anche fino al 50%. Ad esempio, è stato calcolato il potenziale risparmio di peso di una trave principale per roulotte esistente, lunga 13,75 metri, realizzata con una qualità di acciaio 350 con l'introduzione di Strenx^® 700 MC. La portata del carico del progetto esistente è stata determinata e si suggerisce una soluzione alternativa in Strenx^® 700 MC.

Il peso totale dei principali elementi originali realizzati in acciaio convenzionale è 1.085 kg e il peso totale dell'alternativa di miglioramento in Strenx^® 700 MC è di 704 kg. In questo modo si ottiene una riduzione di peso di 381 kg o 35,2 %. Questi risultati sono da considerarsi a titolo esemplificativo. A seconda del tipo di veicolo, dei requisiti specifici e dei dettagli di progettazione, il potenziale di miglioramento può essere minore o maggiore se confrontato con l'esempio precedente. I calcoli considerano esclusivamente la capacità di trasporto del carico statico, ma funge da buon punto di partenza per la progettazione di telaio alleggerito.

Per le travi principali di un telaio per rimorchio progettato in modo convenzionale, ci sono alcune limitazioni per poter utilizzare una resistenza superiore a Strenx^® 700 MC ai fini della resistenza strutturale. Per beneficiare appieno della più elevata resistenza è necessario considerare altri punti relativi al telaio. Tuttavia, per alcuni semirimorchi speciali, qualità più alte come Strenx^® 960 possono essere una scelta appropriata. Per flange o profilati soggetti a usura o ammaccature, come il paraurti e il deflettore, è possibile utilizzare un acciaio altoresistenziale come Strenx^® 1100 o un acciaio resistente all'usura come Hardox^® 450. Per altre parti dell'autotelaio, come i longheroni, gli acciai laminati a freddo come Docol^® 1000 DP e Docol^® 1200 M offrono grandi opportunità per ridurre significativamente il peso. Queste parti possono essere prodotte mediante piega e, per grandi serie, profilatura o stampaggio.

Panoramica delle proprietà della sezione trasversale e del potenziale di risparmio di peso di una trave principale convenzionale a) e miglioramenti alternativi leggeri b) e c) in ^Strenx ® 700 MC.

La rigidezza a flessione in senso verticale viene spesso delineata come un aspetto critico nel caso di rimorchi più leggeri e più resistenti realizzati in acciaio altoresistenziale. In alcuni mercati le deflessioni elastiche dei veicoli sono regolate in rapporto all'altezza libera dal suolo, ma nella maggior parte dei casi le restrizioni sulle deflessioni sono questione di funzionalità. Ciò significa che le deflessioni del telaio del rimorchio non dovrebbero costituire problema per l'apertura e la chiusura delle porte e che, ovviamente, in situazioni di carico dovrebbe esserci sufficiente spazio tra il camion e il rimorchio nell'area della ralla. Per alcuni rimorchi speciali (per esempio rimorchi a telaio ribassato) i requisiti riguardanti le deflessioni elastiche possono limitare la scelta del materiale.

elastiche possono limitare la scelta del materiale. Dal momento che tutte le classi di acciaio seguono lo stesso modulo di Young, la rigidezza a flessione è regolata dalla forma geometrica. Ciò significa che riducendo semplicemente lo spessore delle lamiere di cui sono composti i profili si otterrà una minor rigidezza a flessione in caso di identica forma geometrica esterna. Per un telaio per rimorchio, la rigidezza a flessione in senso verticale è regolata dalla forma geometrica dei longheroni. Se la riduzione in termini di resistenza costituisse un problema, è possibile ottenere un miglioramento aumentando l'altezza delle anime.

L'aumento dell'altezza della barra è il modo più efficace per incrementare la rigidezza a flessione. Tuttavia, nelle aree in cui l'altezza della trave è limitata, è possibile migliorare la rigidezza a flessione aumentando la larghezza della flangiatura. Questa misura può essere adottata anche in aree critiche per ridurre il livello di sollecitazione di lavoro e migliorare la rigidezza in direzione laterale delle travi. Mediante le tecniche di produzione moderne, l'ampiezza della flangia può essere su misura in base alla lunghezza della barra e in base alla distribuzione del carico. Tuttavia, poiché lo spessore della flangiatura è ridotto, la larghezza può essere aumentata solo fino a un certo punto, altrimenti la flangiatura sul lato compresso sarà troppo sottile e potrebbe verificarsi un imbozzamento locale, che limiterà l'utilizzo del materiale di flangiatura. Nel caso la trave del rimorchio preesistente sia già molto alta, l'imbozzamento da taglio del corpo libero può ridurre la possibilità di aumentare l'altezza e di ridurre lo spessore del corpo. L'instabilità e i metodi di calcolo sono descritti più dettagliatamente nel Manuale delle lamiere di acciaio SSAB .

È possibile introdurre un'ampiezza variabile della flangia per migliorare la resistenza alla flessione e la rigidezza a flessione nelle aree critiche.

La stabilità dell'intero veicolo che circola su strade o, nel caso di rimorchi ribaltabili, in una situazione di scarico dipende da una serie di fattori differenti, tra cui la rigidezza a torsione del telaio. Per rimorchi a cassone ribaltabile e per altri rimorchi in cui sono presenti carichi torcenti significativi, un eventuale miglioramento del telaio richiede di considerare questo parametro. La rigidezza a torsione di un telaio è regolata dal progetto e dalla posizione degli elementi trasversali, nonché dalla presenza di traversine. Ridurre lo spessore del corpo delle travi principali del telaio avrà un effetto molto limitato, mentre ridurre lo spessore degli elementi trasversali influirà significativamente sulla rigidezza a torsione del telaio. Al fine di evitare problemi di resistenza, è possibile apportare modifiche costruttive per ottenere una rigidità a torsione corrispondente o addirittura superiore rispetto al design originale.

Grazie all'impiego di profilati con sezioni trasversali chiuse per le traverse, la rigidità torsionale aumenta notevolmente. Per uno sfruttamento ottimale del materiale è altresì importante la posizione di tali elementi. La ridistribuzione o l'introduzione di uno o due elementi aggiuntivi influisce sulla globale rigidezza a torsione. In generale, gli elementi trasversali andrebbero centrati verso la parte posteriore del telaio. Tuttavia, questo cambiamento è stato esagerato molte volte nella pratica e, muovendo i membri trasversali in avanti o introducendo un altro membro incrociato in una regione strategica della parte anteriore, migliorerà significativamente il comportamento complessivo. Poiché una piccola rotazione nella parte anteriore comporta grosse traslazioni nella parte posteriore, un aumento della rigidezza a torsione nella parte anteriore potrebbe migliorare le prestazioni complessive.

Un altro metodo efficace consiste nell'introdurre traversine. Per sfruttare al meglio il materiale della traversina è importante che sia progettata per sostenere il carico di tensione in una trave e permettere all'altra trave di deformarsi. Pertanto, le barre devono essere sottili e non saldate l'una all'altra al centro. Per illustrare l'effetto di queste misure, si esegue un confronto tra gli angoli di torsione corrispondenti al momento torcente applicato alla parte posteriore di un comune rimorchio a cassone ribaltabile. I risultati dei calcoli rappresentano un caso unico, ma illustrano chiaramente l'impatto di queste misure sulla rigidezza del telaio alla torsione. In tutti i casi considerati si è mantenuta costante la massa complessiva degli elementi trasversali. Ciò significa che, nel caso in cui sono state utilizzate sezioni trasversali chiuse, lo spessore dei profili è stato ridotto. I risultati mostrano che ridurre lo spessore del corpo comporta una rigidezza a torsione leggermente ridotta se confrontata col progetto originario. Al contrario, introdurre elementi trasversali chiusi o una traversina doppia migliora significativamente la rigidezza.

Comparazione della capacità di torsione di un telaio per rimorchio con traverse a sezione aperta rispetto a soluzioni con profili di traverse trasversali chiuse e traverse.

Tutti i rimorchi sono sottoposti a carichi di fatica durante le fasi di movimento e carico. La storia di carico che determina la vita utile di un telaio per rimorchio si basa sui carichi, diversi per numero e consistenza. A seconda del tipo di rimorchio, delle condizioni stradali e della condizione di carico varierà lo spettro. Migliorando il telaio del rimorchio tramite acciaio AHSS si riduce solitamente lo spessore delle lamiere delle parti strutturali. Ridurre lo spessore delle lamiere aumenterà il livello di sollecitazione nell'intero telaio. Un materiale più resistente comporta una maggiore resistenza alla fatica rispetto al materiale di base. Nel caso dei giunti saldati, tuttavia, ciò risulta limitato dalla concentrazione della sollecitazione e dalle imperfezioni iniziali introdotte in fase di saldatura. Da qui si deduce che la resistenza alla fatica dei giunti saldati è più una questione di progettazione e produzione che non di scelta dei materiali. Impiegando la stessa geometria del giunto saldato e la stessa qualità della saldatura, il telaio avrà una minore resistenza alla fatica.

Resistenza alla fatica

La resistenza a fatica di un materiale viene illustrato tramite curve di Wöhler derivanti da prove di fatica eseguite su campioni e storia di carica di ampiezza costante. In altre parole, un campione viene ripetutamente sottoposto allo stesso ciclo di sollecitazioni fino alla sua rottura. Dopo aver testato diversi campioni a diversi livelli di carico è possibile delineare una curva di Wöhler. Nella parte in alto a sinistra della curva, la resistenza alla fatica è regolata dalle proprietà statiche del materiale. Nella parte inferiore destra del grafico, la resistenza alla fatica è regolata da discontinuità nel provino. Per discontinuità si intendono per esempio la rugosità superficiale dovuta alla laminazione, alla rifilatura dei bordi o a fori, incisioni e saldature. Vengono menzionati per resistenza alla fatica in ordine decrescente.

S/N: curve di esempio di laminati, con punzonatura e giunto saldato.

Perché il giunto saldato costituisce un'area critica?

I giunti saldati hanno resistenza alla fatica sensibilmente ridotta rispetto al materiale di base a causa delle discontinuità geometriche del giunto saldato e alle sollecitazioni residue introdotte dalla fonte di calore durante la saldatura. La resistenza a fatica delle parti saldate è generalmente discussa in rapporto a microstrutture, zone soggette al calore e durezza, ma la maggior causa di debolezza del punto saldato risiede nella concentrazione locale delle sollecitazioni e nei difetti. Tutti i metodi di post-trattamento delle parti saldate si concentrano sulla riduzione delle sollecitazioni residue e sul miglioramento della geometria del giunto saldato. Per ottenere una buona resistenza alla fatica, è importante che la convergenza di saldatura sia uniforme.

Punta di saldatura affilata e levigata.

POSIZIONI DI INIZIO E FINE SALDATURA

Nell'ambito della fatica, le posizioni di inizio e fine saldatura costituiscono la parte più critica di un punto saldato. Poiché il processo di saldatura non avviene in maniera costante, il rischio di generare difetti e porosità in queste posizioni è maggiore. Pertanto, a causa della loro lunghezza limitata, le puntature hanno una resistenza alla fatica inferiore rispetto alle saldature continue. La puntatura dei longheroni dovrebbe essere ridotta al minimo e le puntature posizionate nelle aree soggette a bassa sollecitazione. Il punto saldato tra la flangia superiore e il corpo è meno sensibile alla puntatura, poiché tale parte è soggetta a sollecitazioni di compressione. È importante progettare giunti saldati in generale per permettere alla posizione di inizio e fine saldatura del punto saldato di essere posizionata in aree soggette a bassa sollecitazione. In alcuni casi, è possibile utilizzare il design a coda di pesce per allontanare le posizioni di avvio e di arresto dall'area più soggetta a sollecitazioni, come all'estremità di una piastra di rinforzo.

Il design a coda di pesce può essere introdotto per allontanare le posizioni di inizio e fine di una saldatura da un'area ad alta sollecitazione.

Carico di fatica trasversale e longitudinale di una saldatura

Le discontinuità in un punto saldato sono orientate in direzione della saldatura. Se le discontinuità sono parallele alla direzione principale di sollecitazione, le stesse hanno poco impatto sulla resistenza alla fatica del punto saldato. Al contrario, se le sollecitazioni sono trasversali rispetto alla direzione del punto saldato, la resistenza alla fatica del punto sarà molto bassa. ad es. per la resistenza alla fatica di una staffa di collegamento saldata alla flangia inferiore è inferiore al 5% della resistenza alla fatica della saldatura tra il nastro e la flangia.

CRONOLOGIA DI CARICO

La storia di carico dei semirimorchi è irregolare e casuale, e il numero totale di cicli di carico durante la sua vita utile è compreso tra 108 e 109 cicli. Anche se la maggior parte dei cicli di carico hanno dimensioni molto piccole, la loro combinazione con carichi più consistenti li rende potenzialmente critici in termini di fatica. In altre parole, tali carichi consistenti possono essere intesi come inneschi di cricca, mentre i piccoli carichi come propagatori di cricca. Per via di questi effetti combinati, il limite di fatica rilevato in carichi di dimensione costante svanisce quando si tratta di rimorchi. La sola eccezione si riscontra quando tutti i carichi nell'intera storia sono inferiori al limite di fatica. Pertanto, nelle zone soggette a elevata sollecitazione è importante che il giunto saldato abbia una buona resistenza alla fatica, come i giunti saldati soggetti a carico nel senso della lunghezza. I cordoni di saldatura con minore resistenza alla fatica devono essere posizionati in aree a bassa sollecitazione, ad es. in prossimità dello strato neutro del nastro delle travi principali.

Si può utilizzare a titolo esemplificativo un confronto con un progetto alternativo di una staffa di collegamento saldata su una trave soggetta verticalmente a flessione. Le massime sollecitazioni si verificano sulle flange della trave quando sono caricate in situazione di flessione generale e varia in termini di compressione e tensione sull’asse neutro. Nella versione in alto (a) la staffa di collegamento è saldata in prossimità delle flange con i punti di inizio e fine saldatura situati nell'area maggiormente sollecitata della sezione trasversale della trave. Nella disposizione in basso (b) la staffa di collegamento è stata riprogettata in modo da essere saldata con saldatura a punti vicino allo strato neutro. In questo modo il livello di sollecitazione sul giunto saldato viene ridotto del 50%. Tale riduzione aumenta la resistenza alla fatica di 8 volte rispetto al progetto precedente.

Riprogettando i giunti saldati da posizionare in aree a bassa sollecitazione, si migliora la resistenza alla fatica.

Per rimorchi il cui telaio sia soggetto a carichi torcenti, per esempio rimorchi ribaltabili e per il trasporto di legname, si raccomanda fortemente l’utilizzo di profilati a sezione chiusa per le traverse. Nella maggior parte dei casi tale soluzione consente di saldare le traverse direttamente all’anima del longherone senza bisogno di ulteriori rinforzi. Nei veicoli per carichi pesanti è possibile integrare un rinforzo per il corpo della traversa per aumentare la rigidità e ridurre il livello di sollecitazione in questa zona.

I profili con sezioni trasversali aperte possono essere utilizzati nei rimorchi in cui le traverse sono soggette principalmente a piegare, ad es. Teloni laterali, container e furgoni. Si possono praticare aperture per il collegamento dei singoli profilati e saldarli alla piastra che costituisce l’anima del longherone longitudinale. Si noti, tuttavia, che non si raccomanda l’utilizzo di profilati a sezione aperta in telai soggetti a carichi torcenti.

Un'altra soluzione consiste tuttavia nell'utilizzo di una staffa di collegamento per distribuire le sollecitazioni su una superficie maggiore. La staffa di collegamento può essere saldata, rivettata o bullonata all'anima del longherone.

Diversi tipi di fissaggio della traversa. La tipologia di elemento trasversale da utilizzare e il progetto del collegamento alle travi principali dipendono dal tipo di rimorchio. Per rimorchi con carico torsionale elevato si raccomanda l'utilizzo di profilati trasversali chiusi. Per i veicoli pesanti, è utile combinare questo profilo con un rinforzo per il corpo a forma di U saldato sia alla flangiatura che al corpo (a). La saldatura di elementi trasversali a C sporgenti può essere limitata dal corpo del profilo (b). Gli elementi trasversali possono anche essere avvitati o rivettati alle travi principali.