Costruzione di un telaio
Caratteristiche ricercate per telai di biciclette da corsa
I telai di biciclette da corsa sono oggi sottoposti a sofisticati studi della più avanzata ingegneria. Il progettista si trova di fronte ad un’esigenza estremamente facile da capire ma estremamente complicata da assecondare cioè l’esigenza del ciclista il quale richiede un mezzo in grado di fargli fare maggior velocità in salita, in pianura, in discesa e su ogni tipo di terreno a parità di sforzo e di potenza sviluppata sui pedali e considerando che le competizioni hanno una durata superiore alle 4-5 ore. Si può capire quindi facilmente da ciò le caratteristiche a cui si deve ispirare il progettista; tali caratteristiche sono quindi leggerezza, resistenza alle sollecitazioni statiche e dinamiche, confort, reattività, rigidezza nel piano trasversale ed elasticità nel piano longitudinale, tenacità, affidabilità, guidabilità e bellezza estetica. Da ciò si può capire da dove proviene la difficoltà che può incontrare il progettista nella scelta del materiale e della sua distribuzione nelle tubature del telaio. Tali caratteristiche infatti sono una l’opposta dell’altra: elasticità e rigidezza, leggerezza e resistenza. Compito del progettista è trovare il giusto equilibrio tra tali proprietà in modo tale da assecondare il più possibile l’esigenza sopraccitata del ciclista professionista.
GEOMETRIA
Ogni atleta inoltre ha una sua corporatura e quindi delle sue geometrie per i telai. Ciò rende ancora più difficile il compito del progettista che si deve adattare alle misure standard della casa produttrice o delle specifiche misure richieste dal corridore. Infatti oltre al materiale si deve scegliere la geometria cioè gli angoli del triangolo principale e del carro posteriore e la geometria dei tubi (vedi un esempio in figura).
Fig.1 geometria di un telaio
Ogni angolo del telaio ha una notevole importanza. Intervenendo sull’angolo dell’inclinazione del piantone centrale rispetto all’orizzontale si può modificare il confort e la guidabilità oppure se si interviene sull’inclinazione dell’avantreno si può modificare la stabilità in discesa e quindi la facilità di guida.
Un altro parametro molto importante del quale deve tener conto il progettista è l’altezza del baricentro. È ben risaputo che un veicolo può affrontare una curva tanto più velocemente quanto più basso è il suo baricentro in quanto la forza centrifuga che si scatena nelle curve provoca un momento avente come braccio l’altezza del baricentro da terra e quindi più corto sarà tale braccio minore sarà il momento che scatenerà il ribaltamento del veicolo.
Materiali impiegati nella costruzione di telai di biciclette
Materiali per telai: un tema spesso trattato in articoli che sembrano usciti da tesi di laurea in ingegneria strutturale o da riviste di fisica dei materiali! In effetti l'argomento è molto vasto e complesso; come se ciò non bastasse, i materiali per telai sono indissolubilmente legati alla realizzazione dei tubi, alla saldatura dei medesimi e alla struttura e geometria dell'intero telaio.
L’ACCIAIO
Cominciamo l'analisi specifica dei materiali partendo dall'acciaio, con cui si sono sempre costruiti i telai delle biciclette. Infatti si tratta di un materiale resistente, elastico, dotato di prezzo competitivo, molto ben conosciuto e tipicamente italiano grazie all'abbondanza di artigiani che lo lavorano e a produttori di tubi di fama mondiale come Columbus o Dedacciai.
Negli anni ha subìto una notevole evoluzione, sono cambiati i componenti della lega e si è assistito ad un continuo miglioramento con costante riduzione di peso e specializzazione per le differenti discipline ciclistiche. Oggi troviamo tubi per mountain-bike che presentano uno spessore minimo di soli 0,45 mm! Nonostante la concorrenza dell'alluminio, del titanio e del carbonio, rimane comunque il materiale che detiene il monopolio nella realizzazione di telai per bici multi-ruolo, da passeggio e da città tramite l'utilizzo di leghe non sofisticate e con prezzo contenuto. E' poi utilizzato, con leghe raffinate e molto specializzate, quale l'acciaio Nivacrom, nella maggior parte dei telai delle bici da corsa e in buona parte dei telai da mountain-bike. E' inoltre interessante notare la disponibilità di varie leghe più o meno costose per i differenti utilizzi e le svariate geometrie dei tubi in commercio: a spessore costante, double o triple butted, ad ellissi orientate, a sezione variabile (cioè conici, rastremati) in modo tale da soddisfare praticamente ogni esigenza.
Tra le sue caratteristiche meccaniche di interesse per il ciclista è importante ricordare la notevole elasticità, utile soprattutto nelle bici non ammortizzate, e la resistenza alla fatica, che si traduce nel fatto che un telaio in acciaio anche se sottoposto ad infiniti cicli di flessione, cioè di sollecitazione, non si romperà mai né diventerà più fragile, purché sia stato correttamente dimensionato. In altre parole potremmo dire che i telai in acciaio, contrariamente a quelli in alluminio, non invecchiano, nel senso che mantengono inalterate nel tempo le loro caratteristiche senza "affaticarsi". Fra i punti deboli, troviamo invece la possibilità di ruggine, spesso insidiosa perché attacca l'interno dei tubi. E' buona norma, quindi, in caso di fango, guadi, pioggia e condizioni climatiche avverse, favorire una completa asciugatura dell'interno dei tubi, ad esempio togliendo il cannotto reggisella e mantenendo la bici in un locale aerato e secco.
L'acciaio può essere facilmente saldato anche se, purtroppo, la zona di saldatura, cioè quella soggetta al riscaldamento, perde parte delle sue proprietà meccaniche; il telaio quindi, come detto sopra, ha come punti critici tutte le giunzioni saldate. I telai di fascia alta sono quasi sempre realizzati con saldatura di tipo TIG.
L’ALLUMINIO
Per anni i telai sono sempre stati realizzati in acciaio e solo pochissime aziende che hanno sempre utilizzato l'alluminio. Per alluminio intendiamo in realtà delle leghe del medesimo adeguate alla realizzazione di telai. Queste sono principalmente due, indicate dai numeri 6000 e 7000. Solo la prima cifra è realmente significativa nell'indicare il tipo di lega, che contiene magnesio e silicio per la 6000 e magnesio e zinco per la 7000. Quest’ultima è in generale (ma non sempre!) maggiormente resistente della 6000 e richiede, dopo la saldatura, minori trattamenti termici. Le altre cifre spesso pubblicizzate sono delle ulteriori classificazioni secondarie. Le caratteristiche di questo metallo, in estrema sintesi, possono essere riassunte dicendo che ha peso, resistenza e rigidezza pari a circa un terzo dei rispettivi valori per l'acciaio. L'alluminio risulta quindi molto attraente per il suo ridotto peso. Purtroppo l'elevata elasticità e la limitata resistenza sono invece caratteristiche che ne sconsigliano l'uso per i telai. Ma c'è un altro problema che affligge l'alluminio: non resiste a "fatica"; in termini meno tecnici ciò significa che ogni sollecitazione che comporti una flessione causa un indebolimento del tubo fino al momento in cui si romperà. Contrariamente all'acciaio, possiamo quindi dire che ogni "uscita" con una bici in alluminio "invecchia" il telaio.
Nonostante tutto ciò, la spinta (forse più commerciale che non tecnica) verso la realizzazione di telai sempre più leggeri, unitamente alla necessità di proporre sempre differenti novità, ha permesso di superare tutte le difficoltà. Sono nati così i telai di alluminio, che hanno le seguenti caratteristiche principali. Per evitare l'eccessiva flessione che ne accorcerebbe la vita drasticamente, anziché aumentare lo spessore del tubo (rendendolo più pesante) si opera aumentando il diametro. E' infatti intuitivo per chiunque che piegare un tubo è tanto più faticoso quanto più il tubo è di grande diametro. Il tubo più rigido resiste meglio alle sollecitazioni e, con un adeguato spessore, può durare svariati anni senza raggiungere il punto di rottura. Insomma, con precise e moderne tecniche di progettazione e produzione, si ottengono oggi telai di alluminio che non hanno nulla da invidiare a quelli di acciaio e che durano sicuramente di più della vita media di una bici. Inoltre l'alluminio non soffre nemmeno del problema della ruggine e neanche dell'indebolimento tipico delle zone interessate dalla saldatura. O meglio, la saldatura indebolisce comunque il telaio, ma è possibile ritornare praticamente ai valori di resistenza originali con opportuni trattamenti, che, purtroppo, non possono essere effettuati per l'acciaio. Diametri elevati, però, unitamente a spessori maggiorati per durare a lungo e garantire adeguati margini di sicurezza, producono una conseguenza che può stupire: un telaio di alluminio pesa in media tanto quanto un telaio di acciaio, circa 1500 grammi. Quindi acquistarlo con l'obiettivo di ridurre il peso della bicicletta non è in generale una buona scelta. Ciò che capita con il peso, si verifica anche per la rigidità del telaio: l'alluminio come materiale è più elastico, ma gli elevati diametri dei tubi, necessari a minimizzare le sollecitazioni a fatica, danno origine a telai rigidi. Ovviamente ci riferiamo sempre a valori medi, confrontando dell'ottimo alluminio con dell'ottimo acciaio. A proposito di elasticità del telaio, va notato che questa caratteristica, pur essendo molto apprezzata nelle bici senza sospensioni (specialmente quelle da corsa) poiché offre maggiore comfort sulle asperità, non è più molto importante nel settore mountain-bike, dove le sospensioni sono sempre più diffuse e offrono ben maggiori capacità di assorbimento e dove, anzi, un'eccessiva elasticità può talvolta rendere la bici meno precisa. Difficile quindi dare un giudizio complessivo sull'alluminio; sicuramente si può affermare che non soffre più di complessi di inferiorità rispetto all'acciaio, ma vale sicuramente anche il contrario. Ultimamente la sua presenza è in netta crescita, ma, da quanto detto sopra, non tanto per ragioni tecniche quanto per motivi commerciali: moda e pubblicità.
IL CARBONIO
Il carbonio appare oggi come l'ultima frontiera, lo stato dell'arte, il materiale cioè più recente e che ha ancora le maggiori potenzialità inespresse. Innanzi tutto è bene precisare che quando si parla di carbonio si intende in realtà un composto realizzato da fibre di carbonio come componente strutturale e da resina epossidica. Quest'ultima funge in pratica da cemento che unisce le fibre. Qui sta infatti la netta differenza del carbonio rispetto a tutti gli altri materiali: mentre normalmente si producono tubi di metallo che sono poi saldati insieme, con il carbonio il metodo di realizzazione dei telai è completamente diverso. Non si parte da tubi, ma da "pelli" composte da fibra di carbonio preimpregnata di resina (è anche possibile usare fibra pura e aggiungere la resina a piacere in seguito, ma questo procedimento è in genere più difficile e rischioso). Si deve poi creare uno stampo, che può avere le forme più svariate; ecco perché i telai in carbonio hanno geometrie stranissime, frutto, come sempre succede, sia di analisi tecniche e strutturali che di moda e parametri estetici (anche l'occhio vuole la sua parte, come si dice!). All'interno dello stampo vengono stese le pelli e in base allo spessore e, fatto di fondamentale importanza, all'orientamento di queste ultime, si possono determinare punto per punto le caratteristiche di resistenza ed elasticità del telaio. Anche sotto questo aspetto troviamo una netta differenza rispetto ai materiali classici: orientando opportunamente le fibre, anche a pari spessore del materiale, si ottengono caratteristiche di resistenza e rigidità ben diverse. Il materiale viene poi compresso in autoclave e scaldato; la resina catalizza e si indurisce. E' possibile creare telai cosiddetti monoscocca in un solo pezzo, oppure produrre due semi-telai e incollarli insieme. La prima tecnologia è più "pura" ma in effetti il materiale è sempre deposto in due semigusci per motivi pratici; inoltre poiché lo stampo è chiuso, non è possibile controllare adeguatamente quello che succede al suo interno soprattutto nella zona di contatto tra i due gusci. In altre parole questa tecnologia necessità di moltissima esperienza ed ha un coefficiente di rischio maggiore. L'unione di due gusci invece, permette di controllarne perfettamente l'interno prima dell'incollaggio, anche se è necessario aggiungere un passaggio produttivo ulteriore. Sebbene comunemente si consideri la colla come rimedio di emergenza, a livello industriale questa può offrire livelli di resistenza incredibili, al punto tale da essere utilizzata anche in aeronautica per la realizzazioni di parti di aereo! Quindi niente paura se i due gusci sono incollati, purché il telaio sia stato prodotto da un esperto! Esistono anche telai realizzati con tubi di carbonio, ma questa soluzione è sempre più rara. Infatti, data la possibilità di realizzare qualunque geometria, non si vede perché ricorrere proprio ai tubi che oltretutto, richiedono di essere uniti tramite giunzioni in metallo incollate che rappresentano un notevole punto debole dell'intera struttura. Un telaio completo in carbonio, contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, pesa come i migliori telai di acciaio ed alluminio, circa 1500 grammi. Ancora una volta il materiale in sé non cambia il peso del telaio finito! In compenso si possono ottenere caratteristiche differenti di rigidità e robustezza nelle varie sezioni del telaio. Va anche detto che le tecnologie di lavorazione del carbonio sono ancora agli inizi e che la continua diffusione di questo materiale in settori estremi come la Formula 1 o l'aeronautica avrà sicuramente come effetto un miglioramento delle tecnologie e una diminuzione dei costi del materiale. Inoltre, poiché un telaio in carbonio richiede sia un attento studio delle proprietà del materiale che la realizzazione di uno stampo apposito, si può ipotizzare che qualora la produzione fosse di molte migliaia di pezzi, i costi potrebbero calare drasticamente.