Quali sono i vantaggi di avere due ruote davanti invece che dietro su un veicolo a tre ruote?

Mi sono posto la stessa domanda prima di progettare un nuovo telaio di auto da corsa a energia solare al college.

Sì, pensavo di essere così dannatamente figo.

Per rispondere alla tua domanda, dovremmo prima definire i diversi disegni dei veicoli a tre ruote:
Delta: Una ruota davanti, due dietro.
Tadpole: Due ruote davanti, una dietro.

Ora confrontiamo i due design per alcune diverse caratteristiche desiderabili del design del veicolo.

Stabilità dinamica
Quando si dice che un veicolo è dinamicamente stabile si intende che reagisce in modo sicuro e prevedibile in varie condizioni di guida.

Quando si progetta un telaio, possiamo scegliere come l'auto reagirà quando gira troppo velocemente. Una delle due cose accadrà sempre: o le ruote dell'auto scivoleranno rispetto al terreno, o il veicolo si rovescerà. Ovviamente, scivolare è il risultato desiderato. Tenetelo a mente per il momento.

Quando l'auto scivola fuori controllo in una curva veloce, possiamo progettarla in modo tale da sapere se scivoleranno prima le ruote anteriori o quelle posteriori. Questo è importante perché se le ruote posteriori scivolano per prime, il veicolo corre il rischio di andare fuori controllo (sovrasterzo). Se le ruote anteriori slittano per prime (sottosterzo), non si va in testacoda ed è più facile riprendere il controllo. Il sottosterzo è considerato una risposta dinamica sicura allo slittamento in curva ed è progettato in tutte le auto commerciali. Quali ruote scivoleranno per prime è una semplice questione di distribuzione del peso e di trasferimento del peso.

Il problema per i veicoli a delta è come distribuire il loro peso e controllare il loro trasferimento del peso durante una curva per evitare risultati indesiderati. Se si progetta la distribuzione del peso per un bias anteriore pesante per ottenere il sottosterzo, si aumenta il rischio di ribaltamento. Se si aumenta la distribuzione del peso sulle gomme posteriori, il veicolo sovrasterzerà nelle curve difficili.

Dobbiamo anche considerare il nose diving, che è esattamente quello che sembra. Quando si sbatte sui freni il più forte possibile, il veicolo sbanda fino a fermarsi o le ruote posteriori si sollevano da terra. Questa è anche una funzione della distribuzione del peso e del trasferimento del peso. Sembrerebbe che il design a delta abbia un vantaggio qui perché si presta naturalmente ad avere una distribuzione dei pesi orientata al posteriore. Ma nel mondo reale, un arresto duro non si verifica sempre quando si viaggia in linea retta. Se ci si ferma abbastanza duramente mentre si gira con un veicolo a delta, il peso si trasferirà alla ruota anteriore abbastanza (nonostante le sospensioni progettate per prevenire questo) per causare il ribaltamento del veicolo in un angolo. Guarda il video di Reliant Robin qui sotto.
Vincitore della categoria: Tadpole

Frenata:
Le ruote anteriori di qualsiasi veicolo forniscono la maggior parte della potenza di arresto (qualcosa come il 60-70%). La delta è in svantaggio considerando i problemi di distribuzione del peso discussi sopra e il fatto che ha una gomma anteriore in meno per frenare.

Vincitore di categoria: Tadpole

Semplicità di progettazione:
Lo sterzo è sicuramente più facile da progettare per la delta. Nessuna considerazione speciale deve essere presa in considerazione per evitare lo slittamento laterale delle ruote in curva. Il design del girino deve incorporare leveraggi extra per approssimare la geometria dello sterzo di Ackermann, come visto sotto, per evitare lo slittamento delle ruote.

Il design della sospensione anteriore è decisamente più facile sulla delta. La scelta migliore è la forcella telescopica. Il design della sospensione posteriore può essere qualsiasi numero di opzioni.

Il contrario è vero per il girino. Molteplici scelte sono disponibili per la sospensione anteriore, mentre la sospensione posteriore è molto più facile da progettare (il braccio oscillante è la scelta più ovvia).

Immaginate di progettare un triciclo giocattolo per un bambino. Avete mai visto un disegno di un girino per questo?

Vincitore della categoria: Delta

Aerodinamica:
Il design del girino si presta meglio alla goccia aerodinamica con il corretto rapporto lunghezza/larghezza più facilmente del delta. (Il rapporto ideale larghezza/lunghezza a goccia è 0,255) L'immagine qui sotto mostra come la forma corretta non si adatti al design a delta. In più, dovresti racchiudere più spazio vuoto con il delta.
Vincitore della categoria: Tadpole

Powertrain:

Il design delta ha più svantaggi quando si sceglie la ruota motrice. Se si sceglie la trazione anteriore, si rischia di mettere troppo peso nella parte anteriore del veicolo. Se si sceglie la posteriore, è necessario aggiungere un ingranaggio differenziale alle ruote posteriori. Anche un motore elettrico è problematico. Se il motore è sulla parte anteriore, non si vogliono le batterie pesanti lassù per ragioni di peso. Ma se le batterie sono nella parte posteriore si deve eseguire i cavi di alimentazione principale al motore di azionamento una lunga distanza e attraverso la cabina passeggeri. In entrambi i casi si ha un disincentivo ad avere troppo peso sulla ruota anteriore di guida, così si perde la trazione potenziale.

Un girino con trazione posteriore ottiene il meglio dei due mondi. Nessun differenziale è necessario e si può mantenere un buon 30% del peso del veicolo sulla ruota motrice per mantenere una buona trazione.
Vincitore della categoria: Girino

Conclusione: Per la maggior parte dei veicoli il girino è chiaramente la migliore opzione su tre ruote. Tuttavia, il delta avrà sempre valore per applicazioni di nicchia...

aggiornamento: Grazie per il feedback positivo gente! Se volete leggere di più sull'ingegneria di un telaio per veicoli a 3 ruote, guardate il mio articolo su Instructables qui. Altre grandi cose sul mio blog ogni mese a EngineerDog.com.