Dimensiona​mento dei tubolari per la costruzion​e del telaio di un chopper

Nei due post sulla scelta dei materiali per la costruzione del telaio di un chopper abbiamo concluso che per costruire un telaio di un chopper che sia allo stesso tempo affidabile ed economico, una delle opzioni migliori da utilizzare siano dei tubi di acciaio trafilati a freddo senza saldatura normalizzati.

Resta però da stabilire che diametri e che spessori di parete utilizzare per essere sicuri che il telaio sia sufficientemente robusto da resistere alle sollecitazioni che gli verranno tramesse da tutte le asperità del terreno, a maggior ragione se state progettando di costruirvi un chopper/bobber col telaio rigido (non è tanto il peso del motore e del conducente a impensierire il telaio, ma piuttosto sono gli impatti che possono ingenerare fenomeni di rottura).

 

La scelta del diametro dei tubolari per la costruzione del telaio di un chopper ha molto a che vedere con il proprio gusto estetico personale e con la linea che si vuole conferire alla propria motocicletta, per cui si spazia tranquillamente da esili tubolari da 25mm per slanciati chopper "Old School" dalle linee classiche (l'intramontabile tubolare da 1 pollice), fino a tubi da 35 e anche 40mm per bobber dalle linee più "ignoranti", con reminescenze di streetfighters.

 

La cosa principale da tenere a mente nel dimensionamento dei tubolari è che, in estrema sintesi, il diametro nominale esterno del tubo ed il suo spessore di parete sono inversamente proporzionali, vale a dire che se avete intenzione di usare tubi piccoli, dovrete orientarvi su spessori maggiori di quelli che potete concedervi utilizzando tubi di diametro più grande. Questo deriva da una cosa che si chiama momento di inerzia di superficie, che viene usato nella scienza delle costruzioni per risolvere problemi di resistenza meccanica (da non confondere col momento di inerzia di massa, che si usa per risolvere problemi inerziali dinamici). Nel caso di un tubo la formuletta che ci permette di calcolare il suo momento di inerzia è la seguente:

 

 

dove "D" è il diametro esterno del tubo, e "d" quello interno.

 

Prendiamo un prontuario di pesi e misure, proviamo a mettere qualche numerello dentro la formula, e vediamo cosa salta fuori...

 

Consideriamo un tubolare da 26x3mm e uno da 32x2mm, del peso rispettivamente di 1.70Kg/ml e 1.48 Kg/ml (chilogrammi per metro lineare). Trasformando le misure in metri (giusto per essere coerenti col sistema di misura internazionale, la cui unità di misura di riferimento del momento di inerzia di superficie è il m^4) risulta, per il primo tubo:

 

D= 0.026m

d= 0.02m

J= 1.46 * 10^-8

 

mentre per il secondo tubo:

 

D= 0.032m

d= 0.028m

J= 2.13 * 10^-8

 

Questo in soldoni significa che il secondo tubo, pur essendo meno spesso e meno pesante del primo... è più robusto! 

 

Ora tutta questa matematica però non deve farci perdere il senso pratico delle cose: anche se i telai delle moto da corsa sono fatti con tubolari molto sottili (e anche il telaio della vostra moto industriale molto probabilmente è stato fatto con tubolari relativamente sottili), per una moto artigianale costruita in garage personalmente mi sentirei di sconsigliare di scendere al di sotto dei 2mm di spessore per la gran parte del telaio, e magari concedersi anche qualcosina in più in alcune delle aree più critiche.

Questo anche nell'ottica di riuscire a piegare i tubi con successo senza deformarli (ne parleremo..) e di renderci la vita un po' più semplice in fase di saldatura dei pezzi e preparazione dei cianfrini.

 

Giusto per dare un senso più pratico a questa noiosa trattazione matematica e rendere un po' meno asettici e più parlanti quei numerelli, a titolo di esempio, per la costruzione del mio chopper avrei voluto usare tubolari da 30x3mm per il telaio e da 25x5mm per la forcella girder; ovviamente poi non sono riuscito a reperire queste misure di tubolari e la cosa più simile che ho trovato sono stati tubi da 30x4mm e da 25x6mm, oltretutto non normalizzati ma crudi (che per giunta avrebbero dovuto essere disponibili in pronta consegna e invece ho dovuto aspettare più di un mese per averli... se dovevate ordinarli allora tanto valeva ordinare le misure che vi avevo chiesto! ma vabbè, lasciamo stare...)

 

Un'ultima cosa da tenere in considerazione nella scelta delle dimensioni dei tubolari per la costruzione del telaio di un chopper, ha a che vedere col serbatoio che contate di montarci su: se non pensate di fabbricarvelo da soli, dovrete scegliere una dimensione di tubolare compatibile con le dimensioni dell'apposito alloggiamento situato nella parte inferiore del serbatoio, quindi in questo caso il consiglio è di comprare prima il serbatoio, onde evitare di ritrovarsi con svariate verghe di ferro inutilizzabili in garage... (o con un serbatoio da rivendere su eBay...) 

 

Scelta dei materiali per la costruzione del telaio di una moto special - Atto II

Ieri sera mentre stavo lavorando ad una scala per il mio capo (eh sì, quando il capo ha bisogno di una scala, anche la costruzione del chopper deve passare in secondo piano...) è venuto a trovarmi mio fratello, che "apprezzando" la robustezza della costruzione ha affermato: "Ovviamente te gliel'hai fatta in ferro, legno e alluminio mai eh.."

Credo di averlo liquidato con qualcosa del tipo "se la voleva di legno non doveva venire da me...", però in effetti l'episodio mi ha fatto riflettere sul fatto che nel post precedente dedicato alla scelta dei materiali con cui costruire il telaio di un chopper, non avevo preso in considerazione due materiali che potrebbero a tutti gli effetti essere candidati papabili come base con cui costruire il suddetto telaio del chopper, per cui se fremevate per il post sul dimensionamento dei tubolari dovrete pazientare ancora un po', visto che col post di oggi vorrei concludere la trattazione riguardante la scelta dei materiali con cui fabbricare il telaio.

Un materiale che potrebbe essere preso in considerazione, l'avrete capito, è proprio l'alluminio, che per qualche arcano motivo, vuoi per la sua leggerezza, vuoi perchè spesso si trova sotto forma di accessorio anodizzato-colorato-very cool, sembra sempre solleticare le fantasie dei biker.

Bon, mettetevi comodi che ora vi spiego i motivi del mio apparente rancore nei confronti dell'alluminio...

Il primo problema è una questione di carattere prettamente pratico di reperibilità: nella mia zona (Siena e provincia) l'alluminio si trova con maggior difficoltà rispetto all'acciaio, le misure disponibili sono ben poche e la sua composizione pressochè ignota. Un piccolo aneddoto: una delle prime (e ultime...) volte che comprai un po' di alluminio da uno dei fornitori qua in zona (e uno grossotto eh, non una ferramenta con qualche estruso), provai a chiedere di che lega di alluminio si trattasse, giusto per avere un'idea di massima delle proprietà meccaniche e per sincerami che fosse saldabile (non tutte le leghe lo sono). Bene, l'addetto mi rispose che... era alluminio. "Alluminio, alluminio puro!" continuava a ripetermi tronfio di orgoglio e soddisfazione. In realtà in vendita l'alluminio si trova sempre sotto forma di lega, ognuna identificata da 4 cifre (o in alternativa dal nome commerciale), seguite magari da un suffisso del tipo "T3" per indicarne il trattamento termico (a onor del vero le leghe del gruppo 1000 sono composte quasi interamente da alluminio). Alla fine per scoprire che era un 6060 (o 6061, non ricordo con esattezza) toccò andare a riprendere le bolle commerciali di consegna dei loro fornitori!

Veniamo adesso al secondo punto sfavorevole dell'alluminio, che servirà anche fare luce sul perchè vi ho raccontato dell'aneddoto di cui sopra. L'alluminio di una certa qualità non supera carichi di rottura che sono circa la metà di quelli dell'acciaio, per scendere a valori ben più bassi per quello di bassa qualità, figuriamoci ora che sicurezza che ti può dare un alluminio che chi telo vende non ti sa nemmeno dire che roba sia... (la serie 6000 in realtà non era poi così male).

Inoltre l'alluminio ha una bassa resistenza alla fatica, vale a dire che ogni sollecitazione che subisce, anche se di bassa intensità, ha un effetto cumulativo di indebolimento della struttura, e dato un numero sufficiente di cicli posso generarsi fenomeni di cricche o rotture da fatica. Per l'acciaio invece esiste un'intensità di carico limite, al di sotto della quale è possibile esercitare un numero indefinito di sollecitazioni senza che il telaio ne abbia "memoria". Se avete intenzione di costruirvi un chopper con telaio rigido (e dovete trovarmi una buona spiegazione per cui varrebbe la pena farsi un chopper che non sia "hardtail") vedete come questo possa presentare qualche problemino nel lungo periodo...  Per inciso questo è anche uno dei motivi per cui ci penserei bene prima di comprare una bicicletta usata in alluminio col telaio rigido (per telai ammortizzati la mia impressione è che non dovrebbero esserci problemi).

Insomma per farsi un telaio in alluminio affidabile bisogna essere abbastanza sicuri del fatto proprio dal punto di vista ingegneristico, e se non si è ferrati in materia alla fine si correrebbe il rischio di "mangiarsi" tutto l'ipotetico risparmio in termini di peso che si avrebbe usando l'alluminio in fase di dimensionamento dei tubi del telaio, che per forza di cose dovranno avere spessori e diametri maggiori rispetto ai corrispettivi in acciaio, giusto per "stare tranquilli".

Punto numero quattro, l'alluminio costa di più dell'acciaio, e visto che si rischia di avere un vantaggio praticamente nullo in termini di peso, il gioco non vale molto la candela, anche alla luce del successivo punto numero cinque, che ci dice che la saldatura dell'alluminio è più complicata e comunque più costosa di quella dell'acciaio (di saldatura ne parleremo più dettagliatamente in seguito..).

A questo punto credo che abbiate capito che non sono un grande fan dell'alluminio per applicazioni meccaniche "home made" di una certa rilevanza, tuttavia c'è un caso particolare all'interno del progetto della costruzione di un chopper in cui l'alluminio potrebbe avere diverse lunghezze di vantaggio sull'acciaio, e questo è la costruzione del serbatoio. La migliore lavorabilità dell'alluminio rispetto all'acciaio e la sua capacità di resistere alla ruggine ne fanno un canditato quasi ideale per la costruzione di un componente "ostico" come il serbatoio (verniciare l'interno di un serbatoio presenta tutta una serie di problemi non indifferenti, senza contare la continua esposizione alla benzina cui questa è sottoposta).

L'altro materiale che avevo dimenticato di menzionare è un particolare tipo di acciaio al cromo-molibdeno, il 4130 secondo la designazione AISI-SAE o "chromoly" come viene spesso chiamato in gergo. Il 4130 (o 25CrMo4) è un acciaio basso legato contenente lo 0.30% di carbonio (da cui le seconde due cifre della sigla) ed in più cromo e molibdeno che gli conferiscono elevate doti di temperabilità e durezza. Rispetto ad un acciaio non legato, presenta maggiore resistenza ai carichi, minore peso specifico, e migliore resistenza alla trazione; tutte caratteristiche che lo rendono un acciaio molto usato in ambito aeronautico e nella costruzione di telai di go-kart e biciclette (se siete appassionati di MTB lo avrete senz'altro sentito nominare).

Ora se fate un po' di ricerchine online alla ricerca di maggiori lumi inerenti la costruzione di un telaio di un chopper, può capitare che vi imbattiate in questa sigla, e magari leggendo da qualche parte vi farete anche l'idea che il 4130 sia l'unica cosa possibile da usare per costruire il telaio di una moto... beh senza tediarvi ulteriormente a morte, la mia personalissima conclusione è che, in virtù del maggior prezzo e della non proprio semplice reperibilità, vi consiglierei di lasciar perdere anche il 4130...

Vai alla parte 1 della "Scelta dei materiali per costruire il telaio di un chopper"

Scelta dei materiali per la costruzione del telaio di una moto special

Partendo dal presupposto che se state leggendo questo post probabilmente non sarete di fronte alla scelta tra fare un telaio in carbonio, in titanio o in lega di adamantio, tuttavia la questione della scelta dei materiali con cui costruire il telaio di un chopper non è nemmeno poi così semplice come dire "prendo 4 tubi di ferro" ed è fatta.
Sì, perchè esistono una marea di tipi di acciaio differenti, e una moltitudine di lavorazioni diverse mediante le quali vengono ottenuti i prodotti siderurgici finali
Ah prima di addentrarci nella discussione, una piccola nota giusto per chiarire un concetto: spesso nel gergo comune si sente chiamare "acciaio" l'acciaio inossidabile e "ferro".. tutto il resto che non sia alluminio. Bene, onde evitare confusioni, vi dirò una cosa che forse sconvolgerà qualcuno: il ferro propriamente detto... esiste solo come elemento chimico! Nel senso che quello che vi danno quando andate a comprare il ferro è... acciaio, ovvero una "ricetta" a base di ferro, carbonio e qualche altro ingrediente in proporzione variabile. Non è acciaio inossidabile in quanto non presenta alcuni elementi di lega (in particolare il cromo e il nichel) in proporzioni sufficienti a garantirgli proprietà di resistenza alla ruggine ma... è acciaio. Acciaio al carbonio, basso legato ma sempre e comunque acciaio.

Chiarito questo concetto possiamo andare avanti e vedere quale sono i tubolari migliori con cui costruire il telaio del nostro chopper o bobber che sia.
L'ideale sarebbe riuscire a procurarsi dei tubi trafilati a freddo senza saldatura normalizzati, che per questo tipo di applicazioni meccaniche presentano diversi vantaggi.
L'alternativa più comune, più facile da reperire, quelli che vi danno sempre quando chiedete dei "tubi di ferro" in buona sostanza, sono i tubi elettrosaldati.
Come si intuisce dal nome i tubi elettrosaldati vengono ottenuti saldando tra loro le estremità di un foglio di lamiera laminato a caldo e "arrotolato", mentre i tubi trafilati vengono ottenuti facendoli passare attraverso apposite matrici che gli conferiscono la forma di "bucatino gigante", con un procedimento analogo a quello con cui viene prodotta la pasta trafilata al bronzo.
I tubi trafilati presentano generalmente tolleranze dimensionali più stringenti degli elettrosaldati, e inoltre offrono qualcosa in più in termini di robustezza.
La trafilatura a freddo inoltre vi risparmia un bel po' di lavoro di decapaggio per rimuore la calamina tipica dei prodotti a caldo da tutta la superficie esterna del tubo.

Nella foto sottostanti sono messi a confronto due tubi delle stesso diametro esterno e spessori differenti; a sinistra un classico tubo "nero" elettrosaldato, a destra un tubo trafilato a freddo. Se guardate bene nella seconda foto dovreste essere anche in grado di vedere il sottile cordoncino di saldatura all'interno del tubo elettrosaldato di sinistra.

Veniamo adesso all'ultima caratteristica che ci farebbe piacere trovare nei tubi che andremo ad acquistare, descritta da quell'aggettivo "normalizzati". I tubi possono trovarsi in uno dei seguenti stati di fornitura:

CRUDO (cold drawn/hard - sigla C sec. EN10305 / BK sec. DIN 2391)
SEMICRUDO (cold drawn/soft - sigla LC sec. EN10305 / BKW sec. DIN 2391)
DISTESO (cold drawn/stress relieved - sigla SR sec. EN10305 / BK+S sec. DIN 2391)
RICOTTO (annealed - sigla A sec. EN10305 / GBK sec. DIN 2391)
NORMALIZZATO (normalized - sigla N sec. EN10305 / NBK sec. DIN 2391)
BONIFICATO (quench/tempered - sigla QT sec. EN10305 / QT sec. DIN 2391)

Traslasciando tutte le varie sfumature e differenze tra i vari trattamenti, quello che ci interessa sapere senza addentrarci nel campo della metallurgia "hardcore" è che i tubi nello stato crudo (C o BK secondo la vecchia nomenclatura) non sono sottoposti ad alcun trattamento termico dopo la formatura a freddo, per cui le proprietà di deformazione plastica dell'acciaio sono limitate e vi sono da prevedere tensioni residue. Tradotto significa che questi tubi sono difficili da piegare con successo.
I tubi nello stato disteso dopo la formatura a freddo vengono sottoposti a trattamento termico; in questo modo le tensioni residue vengono ridotte ad un minimo e le proprietà di deformazione plastica migliorate.
I tubi nello stato ricotto (A o GBK secondo la vecchia nomenclatura) sono sottoposti ad un trattamento di ricottura (annealing) che li rende più facilmente lavorabili, mentre i tubi nello stato normalizzato (N o NBK secondo la vecchia nomenclatura) dopo la formatura a freddo vengono sottoposti ad un trattamento termico sotto gas protettivo ad una temperatura al di sopra del punto critico superiore e rappresentano per certi versi "una via di mezzo" tra i tubi C e A, e sono quelli che vogliamo noi, dei tubi che presentino delle buone proprietà plastiche per poter essere curvati abbastanza agevolmente e che tuttavia siano in grado di sostenere senza deformarsi tutte le sollecitazioni cui viene sottoposto il telaio di una moto.
N.B. premetto che non sono nè un chimico nè un esperto di metallurgia, questo è quello che so e ciò su cui baso la scelta  dei tubolari per la realizzazione di telai & forcelle, per cui se ho detto qualche boiata o usato termini impropri, vi prego di scusarmi, senz'altro non avrete bisogno di consigli per scegliere i vostri tubolari... :)

Detto questo, finita la parte teorica, c'è da scontarsi con la dura realtà, e cercare di fare il meglio possibile con quello che riusciamo a reperire dai nostri fornitori...
Con qualche accortezza (soprattutto in fase di piegatura dei tubi) è del tutto possibile costruire un telaio affidabile di una moto o di un chopper con tubi elettrosaldati (molti telai in commercio sono fatti con questo tipo di tubi per via del loro costo inferiore), ovviamente purchè questi siano opportunamente dimensionati, ed è questo quello di cui ci occuperemo nel prossimo post...


Vai alla parte 2 della "Scelta dei materiali per costruire il telaio di un chopper"