LE SOSPENSIONI


Nel percorrere le strade di tutti i giorni, i nostri veicoli sono sottoposti continuamente a sobbalzi dovuti alle asperità dell'asfalto. Al di la del comfort di guida, le sospensioni hanno il delicato compito di mantenere le ruote a contatto con l'asfalto anche in presenza di buche e irregolarità, assolvendo quindi un importantissimo ruolo per quanto riguarda la sicurezza attiva.
Come possiamo vedere a occhio nudo, le sospensioni sono formate da una molla, che ha il compito di sostenere la vettura ed assorbire le asperità, e un ammortizzatore, che serve a smorzare le oscillazioni della molla, che altrimenti rimbalzerebbe per lungo tempo dopo aver incontrato un ostacolo, non garantendo il contatto ruota-terreno. Per poter studiare il comportamento delle sospensioni, è necessario studiare il comportamento dell'oscillatore semplice eccitato alla base. In prima approssimazione, infatti, possiamo omettere rigidezza e smorzamento dello pneumatico.

Oscillatore semplice


In questo modello si considera la massa M pari ad un quarto della vettura (o metà, se stiamo considerando una moto), poi c'è una molla di constante elastica k e uno smorzatore c. Ipotizzo che lo spostamento della base sia armonico, ottengo allora una equazione differenziale ordinaria del secondo ordine, risolta la quale (per il procedimento si rimanda alla letteratura specifica) si ottiene la seguente funzione che lega lo spostamento della massa con lo spostamento della base:

Risposta in frequenza


Questa formula, denominata "risposta in frequenza" riporta appunto lo spostamento della massa in rapporto allo spostamento della base, dove omegan è la pulsazione naturale del sistema (data dalla radice della costante elastica diviso la massa), mentre la Xi è lo smorzamento relativo al critico. Se prendo il modulo di questa risposta in frequenza, al variare della frequenza dell'eccitazione della base ottengo un diagramma di risposta.

Risposta in frequenza


Da questo diagramma si nota una cosa fondamentale, fino a frequenze di circa 1.4 volte la frequenza naturale del sistema, le sospensioni amplificano sempre le asperità. In questo range, si rende quindi necessario uno smorzamento elevato dell'ammortizzatore. All'aumentare della frequenza, invece, si ha maggiore isolamento con uno smorzamento inferiore. Quindi, uno smorzamento che funziona bene in alta frequenza, non funziona bene poi in bassa frequenza e viceversa. Per questo motivo, gli ammortizzatori presentano valvole interne che modulano la portata di olio, e nelle versioni più evolute esiste la regolazione alta-bassa velocità di sollecitazione. Anche con questi accorgimenti, comunque, il comportamento è lontano da quello desiderato, ovvero dal massimo assorbimento delle asperità, riportato nel diagramma sottostante.

Risposta in frequenza


Per questo motivo, si è iniziato a studiare sistemi attivi di controllo delle sospensioni, pensati come ad un attuatore posto in parallelo alla molla/smorzatore, e comandato da una legge di controllo dipendente dall'accelerazione del corpo macchina, misurata tramite un accelerometro.

Controllo sospensioni Skyhook


Questo attuatore produce una forza proporzionale all'accelerazione e di verso opposto, in modo da smorzare attivamente le oscillazioni del sistema. Si presenta però un problema: un sistema di questo tipo, oltre ad essere costoso, richiede di molta energia per poter funzionare e motori di controllo molto potenti, non è quindi un sistema attuabile sulle auto comuni (è stato provato in F1, ma poi abolito dal regolamento). Allora, sono nate le sospensioni semi-attive, il principio di funzionamento è lo stesso però, anzichè avere un attuatore che genera e dissipa energia, c'è solo un dissipatore. Infatti, frenare è molto più semplice che accelerare, quindi questi sistemi lavorano semplicemente frenando più o meno gli ammortizzatori, tramite condotti a sezione veriabile oppure tramite fluidi magneto-reologici che possono cambiare la viscosità al variare di un campo magnetico. Questi sistemi di smorzamento attivi sono conosciuti col nome "Skyhook".
Di particolare importanza lo studio della metà veicolo (o veicolo intero, se stiamo studiando una moto). Questo infatti è un sistema a due gradi di libertà (sempre senza considerare il contributo degli pneumetici, per semplicità, i concetti non cambiano), permette quindi di studiare i due moti di scuotimento verticale e beccheggio del veicolo.

Disaccoppiamento sospensioni


Trattandosi di un sistema a due gradi di libertà, non ho più una equazione differenziale ordinaria del sencondo ordine, ma ho una forma matriciale di questa. Sarà risolvibile quindi come un problema agli autovalori, dove gli autovalori rappresenteranno la frequenza di risonanza del sistema (in questo caso saranno due), e gli autovettori rappresentano i modi di vibrare (ovvero, scuotimento verticale e beccheggio). Avrò cioè una equazione del tipo:


Dove m è la massa totale, I il momento d'inerzia attorno all'asse baricentrico. Da questa equazione, si vede che il sistema è accoppiato, ovvero le due equazioni sono in relazione tra loro, questo significa che ad un dato beccheggio corrisponde un dato scuotimento verticale, e viceversa. Questa è una situazione che si vuole evitare, disaccoppiando i due movimenti infatti si ottiene una risposta migliore del sistema, perchè uno scuotimento non indurrà un beccheggio. Questo disaccoppiamento si può fare scegliendo gli opportuni valori delle costanti elastiche delle molle, in relazione alla posizione del baricentro, ovvero ponendo uguale a zero il termine in alto a destra (o in basso a sinistra, è uguale) della matrice di rigidezza, cioè i due modi di vibrare sono disaccoppiati quando vale la relazione k1*z1=k2*z2. Quindi, se il baricentro per esempio è esattamente a metà, le due costanti elastiche anteriore e posteriore dovranno essere uguali e così ho il sistema disaccoppiato.
Dopo aver visto la teoria che c'è dietro alle sospensioni di un veicolo, passiamo adesso alla parte più pratica. Abbiamo infatti visto che una molla, da sola, continuerebbe ad oscillare indefinitamente, e ha bisogno quindi di uno smorzatore che ne riduca le oscillazioni. Come sono fatti questi smorzatori? In passato, nelle sospensioni delle prime auto e moto, lo smorzamento avveniva in maniera molto semplice, tramite un ammortizzatore definito "a frizione".

Ammortizzatore a frizione


Come si vede dall'immagine, questo è composto da dei dischi, solitamente in cuoio, premuti insieme da una vite. Lo smorzamento avveniva grazie all'attrito tra i dischi, ma questi smorzatori presentavano problemi di regolarità di funzionamento e di usura, così sono stati abbandonati. Attualmente, in qualsiasi veicolo vengono utilizzati gli "ammortizzatori oleodinamici". Il funzionamento di base è semplice, c'è un cilindro riempito di olio, all'interno del quale scorre un pistone che presenta dei fori, durante il movimento del pistone l'olio è costretto a passare attraverso i fori, dissipando energia grazie alla sua viscosità.
Un ammortizzatore, però, deve avere un comportamento lineare, ovvero deve smorzare sempre allo stesso modo indipendentemente dalla velocità di sollecitazione. Un ammortizzatore realizzato praticando solo dei fori su un pistone (detti orifizi) non riesce a garantire questa uniformità di funzionamento, ma presenta un comportamento parabolico, ovvero la resistenza cresce col quadrato della velocità. Alcuni ammortizzatori possono essere realizzati così, ma nella maggior parte dei casi, per garantire un corretto comportamento, vengono utilizzati i "passaggi liberi". Questi sono dei passaggi per l'olio molto più grandi rispetto agli orifizi, e occlusi tramite delle valvole tenute compresse da una molla, la quale si apre in funzione della velocità di compressione, garantendo un comportamento lineare dalla sua apertura in poi. Combinando opportunamente orifizi e passaggi liberi, è possibile ottenere la curva di risposta desiderata.

Ammortizzatore serbatoio separato


Dall'immagine si vede anche un altro particolare, ovvero una camera riempita da azoto. Questa è sempre presente, generalmente l'azoto è gonfiato a 10-15 bar, in modo da ridurre il rischio di cavitazione dell'olio, ma il compito fondamentale che ha è di compensare il volume dello stelo del pistone. Infatti, ad ammortizzatore completamente compresso, lo stelo è contenuto nel cilindro, ed occupa un certo volume, ma quando l'ammortizzatore è completamente esteso questo volume deve essere riempito in qualche modo, altrimenti rimarrebbe aria a contatto con l'olio, viene quindi riempito da dell'azoto, posto però in una camera separata dall'olio. Questa camera può essere in un contenitore separato dal tubo dell'ammortizzatore, come nella foto sopra, oppure può essere posto all'interno dello stesso tubo, con lo svantaggio però di avere così un ammortizzatore più lungo. Inoltre, la soluzione a contenitore separato permette una migliore e più agevole regolazione dell'ammortizzatore stesso (nei casi in cui questo sia regolabile, naturalmente), inoltre migliora anche il raffreddamento dell'olio, fattore importante specialmente nelle moto da cross dove, a causa delle grosse sollecitazioni, l'olio si scalda molto e può arrivare a cavitare.
Nel caso degli ammortizzatori di moto sportive o da cross, o di qualche auto sportiva, si sono raggiunte delle prestazioni veramente eccezionali, però gli ammortizzatori classici appena visti hanno il difetto di dover necessariamente essere regolati manualmente, in caso di utilizzo sportivo, per assecondare al meglio le doti del pilota. Così, un veicolo dotato di sospensioni adatte ad un uso sportivo sarà poco comfortevole se utilizzato sulle strade comuni, e viceversa un veicolo comfortevole sarà giudicato "flaccido" se guidato in modo sportivo. Per questo motivo, stanno prendendo piede prima solo su macchine sportive di alta gamma, ora anche su certi modelli di moto, le "sospensioni semi-attive" di cui abbiamo gia accennato nel primo articolo dedicato alle sospensioni. Vediamo più nel dettaglio il loro funzionamento.

Sospensioni semi-attive


Come gia accennato, le sospensioni semi-attive sono in grado di modificare il coefficiente di smorzamento degli ammortizzatori in maniera continua durante la guida. Le tecnologie utilizzate sono essenzialmente due:
  1. Attuate tramite valvole
  2. Attuate tramite fluidi magnetoreologici
La prima tipologia è quella del tipo più economico. All'interno dell'ammortizzatore sono ricavati dei passaggi per l'olio regolabili, e la regolazione è attuata tramite delle valvole controllate da una centralina elettronica. Sono presenti dei sensori di accelerazione sul corpo vettura, e in base al valore della sollecitazione vengono modificate in tempo reale le regolazioni. La centralina rileva l'accelerazione delle masse sospese, e cerca di mantenerla il più bassa possibile, idealmente prossima allo zero. Quindi, se ad esempio la sospensione riceve un forte urto che crea una forte accelerazione al corpo vettura, quasi istantaneamente vengono aperti i passaggi dell'olio, lasciando fluire più olio in modo da assorbire meglio l'urto. Successivamente, questi vengono richiusi in modo da frenare il corpo vettura ed evitare quindi ondeggiamenti.
Le sospensioni magnetoreologiche invece sono più raffinate. Presentano al loro interno dei passaggi per l'olio fissi, non ci sono quindi regolazioni sui passaggi, però viene utilizzato un olio particolare, che si polarizza fortemente in presenza di un campo magnetico. Questa proprietà è ottenuta inserendo all'interno dell'olio delle nanoparticelle ferromagnetiche, che quindi reagiscono in presenza di campo magnetico modificando la viscosità del fluido, e di conseguenza lo smorzamento dell'ammortizzatore.

Sospensioni magneto-reologiche


La logica di controllo quindi rimane la stessa dell'altro sistema, cambia solo il modo in cui viene modificato lo smorzamento. Adesso, vediamo come è possibile collegare la ruota al telaio attraverso il sistema molla/ammortizzatore, i vari schemi costruttivi, vantaggi e svantaggi di ciascuno. In questo articolo mi concentrerò principalmente sui vari schemi costruttivi esistenti per le macchine, dedicherò un capitolo a parte a quelli delle moto.
Una prima suddivisione da fare è tra le sospensioni indipendenti e quelle dipendenti.

Sospensioni dipendenti


Si chiamano così quelle sospensioni che collegano entrambe le ruote di uno stesso asse, per cui il movimento di una ruota dipende dal movimento dell’altra ruota sullo stesso asse.

Ponte rigido


Per quanto riguarda l’asse anteriore, viene utilizzato esclusivamente il sistema a ponte rigido, e solo in mezzi pesanti a quattro ruote motrici o mezzi fuoristrada. Questo perché si tratta di un tipo di sospensione economica e facile da installare su un veicolo, ma le doti dinamiche e di comfort sono estremamente scarse. Il motivo principale è dovuto all’elevato peso delle masse non sospese, visto che su questo asse è montato anche il differenziale, e questo pregiudica il comfort, inoltre come detto precedentemente, le ruote sono interconnesse tra loro, per cui una sollecitazione su una ruota si ripercuote anche nell’altra ruota, pregiudicando la tenuta di strada.

Ponte rigido


Esistono attualmente solo due campi in cui il ponte rigido presenta dei vantaggi, ovvero nei mezzi da trasporto, visto che la sua geometria permette di portare molto peso, e nei mezzi da off-road pesante, che hanno bisogno di un elevata escursione delle ruote, permessa da questo sistema. Le velocità sono estremamente basse per cui il comfort non è un problema.
Questa è praticamente l’unico sistema a ruote dipendenti usato sull’asse anteriore, e naturalmente viene usato anche nell’asse posteriore. Per questo, però, esistono anche altri schemi costruttivi.

Assale rigido


Analogo al precedente, ma privo di sistema di trazione e quindi di differenziale, si tratta in parole povere di un semplice tubo che collega le ruote di un asse.

Assale rigido


Viene usato sull’asse posteriore di vetture a trazione anteriore, dove le ruote dietro sono semplicemente trascinate. Per mantenere la posizione, il ponte è collegato al telaio tramite dei tiranti, visibili in figura. Talvolta è presente anche la barra Panhard, ovvero una barra montata diagonalmente tra telaio e ponte, e serve ad evitare che il ponte si sposti di lato. Per questo scopo può essere usato anche il sistema a parallelogramma di Watt.

Ponte torcente


Si tratta di una variazione del ponte rigido appena visto. In questo caso, le ruote non sono montate sull’asse del ponte, ma hanno un certo braccio di leva e il ponte è progettato in modo da permettere una certa torsione. Si tratta quindi di un sistema a ruote semi-indipendenti, infatti le ruote, pur essendo interconnesse tra di loro, possono avere anche un certo moto relativo, non sono quindi vincolate rigidamente.

Ponte torcente



Ponte DeDion


Si tratta di un sistema a ponte rigido montato sempre sull’asse posteriore, e specifico per vetture a trazione posteriore o integrale. È infatti un evoluzione del primo ponte rigido che abbiamo visto, questo presentava il grosso svantaggio del peso delle masse non sospese, avendo il differenziale montato sul ponte. Il ponte De Dion, invece, collega rigidamente le due ruote, ma il differenziale è collegato al telaio della vettura e trasmette il moto alle ruote tramite dei semiassi, riducendo così il peso delle masse non sospese e migliorando il comfort di guida e i rischi di perdita di trazione.

Ponte DeDion


Principale vantaggio è che le ruote essendo collegate tra loro non permettono variazioni di camber o di careggiata rispetto al terreno, quindi la trazione risulta sempre ottimale. Per evitare movimenti indesiderati del ponte, come per il ponte rigido, questo può essere guidato da una barra Panhard o da un parallelogramma di Watt.
Questo sistema veniva molto usato negli anni 60-70 dalla Rover, Alfa Romeo e Lancia, anche in certe vecchie formula 1 (come la Alfa 158), ad oggi viene utilizzato diffusamente dalla Smart, sulla Fortwo.

Sospensioni indipendenti


In queste, le due ruote non sono collegate tra di loro (se si esclude la barra antirollio, di cui parleremo più avanti), per cui il movimento di una ruota non interferisce anche sull’altra ruota dello stesso asse. Esistono molti sistemi di sospensioni indipendenti, utilizzati sia sull’asse anteriore che posteriore.

MacPherson


Si tratta del sistema si sospensione più comunemente usato sulle vetture, principalmente per via della sua semplicità. È formato molto semplicemente da un singolo braccio inferiore, collegato tramite una cerniera al mozzo della ruota e quindi all’ammortizzatore/molla coassiali.

MacPherson


Il sistema molla/ammortizzatore ha quindi funzione strutturale. Principale svantaggio di questo sistema è la variazione dell’angolo di camber durante il movimento della ruota, la parte superiore infatti durante il movimento si sposta molto poco in direzione trasversale, mentre la parte inferiore segue una traiettoria a semicerchio dettata dal movimento del braccio inferiore. Quindi, durante l’escursione, l’angolo di camber varia non garantendo una trazione sempre ottimale. Ha però il grosso vantaggio di occupare poco spazio in direzione trasversale, ed è economico, motivo per cui viene utilizzato quasi universalmente su tutte le vetture, escluse quelle di fascia più alta o con vocazione sportiva.

Quadrilatero deformabile


In questo schema, la ruota è sostenuta da due bracci oscillanti, uno inferiore e uno superiore, che formano, dalla vista anteriore, un quadrilatero. I bracci hanno sia funzione strutturale che di guida della ruota, mentre l’ammortizzatore non è più strutturale come nel MacPherson.

Quadrilatero deformabile


Rispetto al MacPherson, questo sistema è più complicato, e quindi più costoso, inoltre ha maggiori ingombri trasversali che ne rendono difficoltoso l’utilizzo su vetture con motore trasversale, ma presenta anche diversi vantaggi. Prima di tutto, progettando in maniera adeguata la lunghezza e la disposizione dei bracci, è possibile guidare la ruota con assoluta precisione, variando l’angolo di camber durante l’escursione in modo da mantenerlo il più possibile costante rispetto al terreno. Inoltre è possibile calcolare, e piazzare a piacimento, il centro di rollio, ovvero il punto attorno cui il telaio ruota in curva. Verrà discussa più avanti l’importanza di questo punto nel progetto di una vettura.

Multi-link


Si tratta di un ulteriore affinamento del sistema a quadrilatero deformabile. Per definizione, ogni sospensione che guida la ruota con 3 o più bracci (control links) è una sospensione multilink. Il funzionamento è lo stesso, ma anziché avere un braccio superiore e uno inferiore rigidi, ogni tirante di collegamento è separato dagli altri. È possibile con questo sistema far compiere alla ruota il movimento che si desidera, potendo quindi far mantenere alla ruota costanti gli angoli caratteristici al variare della sua escursione, ottimizzando l’handling della vettura. Come rovescio della medaglia, si tratta di un sistema costoso e complesso, per una progettazione accurata è indispensabile un simulatore 3D per la verifica del movimento.

Bracci longitudinali oscillanti


In questo tipo di sospensione, la ruota è collegata ad un braccio (forcellone) che oscilla, l’esempio più comune sono i forcelloni posteriori delle moto, o la sospensione anteriore della vespa. Il sistema è estremamente semplice, ma le ruote si mantengono parallele al terreno solo in rettilineo.

Bracci longitudinali oscillanti


Infatti, con questo sistema durante l’oscillazione la ruota rimane parallela alla scocca della vettura, ma durante una curva la scocca si inclina (fenomeno del rollio), per cui anche la ruota si inclina della stessa quantità. Si risolve questo problema con il sistema “semi-trailing arm”, illustrato nell’immagine sotto.

Semi-trailing arm


Il fulcro della sospensione in questo caso non è ortogonale alla direzione di marcia, ma presenta un certo angolo. Questa inclinazione permette alla ruota di aumentare il camber durante la compressione, e di diminuirlo durante l’estensione. Si cerca così di mantenere il camber rispetto al terreno il più costante possibile.

Sulla cinematica delle sospensioni


Ciascun schema costruttivo visto sopra ha l’obiettivo di collegare la ruota al corpo vettura tramite la molla/ammortizzatore, per poter smorzare le vibrazioni e gli urti provenienti dal terreno. Ma non è questo l’unico scopo delle sospensioni, e anzi non è nemmeno il principale. Se consideriamo l’ambito sportivo, le sospensioni sono tutt’altro che confortevoli, il loro unico obiettivo è quello di garantire il contatto ottimale dello pneumatico al terreno in modo che la vettura abbia sempre la massima aderenza possibile in ogni situazione, ovvero in accelerazione, frenata e curva. È bene sapere inoltre che le ruote non sono mai esattamente parallele né al terreno, né alla direzione di marcia. Esistono infatti due angoli caratteristici, definiti in sede di progetto, che dipendono dalla tipologia di veicolo (se trazione anteriore o posteriore, se touring o sportiva…), e servono per garantire sempre la massima aderenza. Questi sono gli angoli di campanatura (camber) e convergenza (toe in).
La campanatura è l’angolo di inclinazione delle ruote rispetto alla verticale, si dice positivo se la parte inferiore delle ruote punta verso l’interno della vettura (pensate alle ruote posteriori della vecchia Fiat 500, o della Piaggio Ape), viceversa si dice negativo. Angoli negativi migliorano la tenuta di strada, specialmente ad elevata velocità, ma non bisogna esagerare altrimenti si riduce eccessivamente l’impronta a terra dello pneumatico, riducendo l’aderenza e portando ad un consumo non uniforme dello pneumatico. Proprio perché una campanatura negativa aumenta la tenuta di strada di quell’asse, generalmente sull’asse motrice si usa una campanatura più elevata rispetto all’altro asse. Generalmente si parla comunque di uno o due gradi, per cui non è una differenza visibile ad occhio, la si può notare invece nella Smart Fortwo, dove si vede chiaramente che le ruote posteriori hanno una campanatura fortemente negativa, al contrario delle anteriori.
L’altro angolo caratteristico è la convergenza, ovvero l’inclinazione delle ruote rispetto all’asse longitudinale della vettura. In questo caso, una convergenza positiva significa che la parte anteriore della ruota è verso l’interno del veicolo, e viceversa. Vengono di solito utilizzati valori prossimi allo zero, in generale comunque una variazione dell’angolo di convergenza porta a comportamenti diversi della vettura in curva, che può essere più lenta a inserirsi ma più stabile o viceversa.
Questi angoli vengono definiti in fase di progetto, e dovrebbero rimanere sempre all’interno di certi valori ottimali. Nella realtà, la presenza delle sospensioni li modifica, per cui il comportamento del veicolo può cambiare se durante l’escursione della ruota cambiano questi angoli. Premetto che questi angoli dovranno rimanere sempre ottimali rispetto al terreno, non rispetto alla scocca della vettura. Questa infatti è soggetta al rollio, in curva cioè si inclina, le ruote non si devono inclinare anche loro.
Un altro aspetto è dovuto all’aderenza trasversale, questa è naturalmente data dalla forza centrifuga che si instaura durante una curva, ma possono esistere delle fonti di perdita di capacità di aderenza. Una di queste è la variazione della careggiata. Se considero una sospensione indipendente, durante la curva avrò la sospensione esterna che si comprime, quella interna che si estende, non essendo le ruote interconnesse la careggiata può variare (e solitamente, infatti, varia). Questo significa che la macchina si allarga o si restringe, facendo scivolare le gomme e impegnando aderenza trasversale per un movimento inutile, per cui stiamo buttando parte dell’aderenza. Si può risolvere tentando di far modificare anche il camber a nostro piacimento durante l’escursione, in modo da spostare l’impronta a terra dello pneumatico e cercando in questo modo di mantenere la careggiata, intesa come distanza tra due impronte a terra, il più costante possibile.
Fatte queste premesse, si nota che la sospensione ideale deve mantenere tutti gli angoli costanti rispetto al suolo, e non deve far variare la careggiata. Se avete letto bene la descrizione dei vari schemi sospensivi mostrati sopra, noterete che uno solo dei sistemi descritti ha queste caratteristiche, ovvero il ponte rigido. Dal punto di vista cinematico, effettivamente, questo sarebbe il sistema migliore, ma presenta i problemi già descritti riguardo al peso eccessivo delle masse non sospese che da solo toglie tutti i vantaggi. Nella sua versione più evoluta, ovvero il ponte DeDion, si risolve anche questo problema, anche se non totalmente, le masse non sospese rimangono comunque più elevate di un sistema a quadrilatero deformabile, che tra l’altro presenta i bracci che lavorano a pura trazione-compressione quindi con un ottimale rapporto peso/prestazioni. Con la tecnologia moderna sarebbe anche questo risolvibile, realizzando il ponte DeDion in fibra di carbonio ad elevato modulo, ma non è ancora stato fatto.
Oltre a tutto questo, le sospensioni al variare della loro geometria variano il comportamento dinamico globale dell’auto, attraverso il valore del “centro di rollio”.

Il centro di rollio


Centro di rollio


Per centro di rollio si intende quel punto attorno cui ruota il corpo vettura durante una curva. Dipende unicamente dalla geometria delle sospensioni, per cui può (anzi, generalmente è) essere diverso tra anteriore e posteriore. Nel disegno vediamo come si calcola per sospensioni a quadrilatero deformabile, può però essere calcolato per ogni tipo di sospensione. Se collego i due punti dei centri di rollio, ottengo il cosiddetto asse di rollio, ovvero l’asse attorno cui ruota l’intera vettura durante una curva. Si tratta di un punto fondamentale per il comportamento dinamico della vettura, come vedremo tra un po’.
La principale differenza tra le sospensioni economiche (MacPherson, ponte rigido…) e quelle più costose e raffinate (quadrilatero deformabile, multilink) nella definizione del centro di rollio, sta nel fatto che in sospensioni economiche il centro di rollio è generalmente poco modificabile dal progettista, in quanto la sospensione ha poche variabili modificabili (pensate al ponte rigido, è un semplice tubo, cosa potete variare per modificarne il comportamento?), quindi si può cercare di ottimizzarlo, ma è difficile e presenta i suoi limiti. Con una sospensione più raffinata, invece, il progettista è libero di piazzare il centro di rollio dove gli pare, per ottimizzare il comportamento della vettura.
Ora, vediamo come lavora il centro di rollio. Durante una curva, l’auto è soggetta ad una forza trasversale, la forza centrifuga, applicata al suo baricentro. Abbiamo detto che il centro di rollio è il fulcro attorno cui ruota la scocca durante il rollio, per cui in questo punto si instaura una forza uguale e opposta alla forza centrifuga, per equilibrio. La distanza tra centro di rollio e centro di gravità si definisce “altezza di rollio”, il prodotto tra questa altezza di rollio e la forza centrifuga crea il “momento di rollio”, ovvero la coppia che tende a far ruotare la scocca della vettura in curva. Nella quasi totalità dei casi, il centro di rollio è più in basso rispetto al centro di gravità, la coppia che si instaura quindi tende a far ruotare in senso orario la scocca di una vettura che percorre una curva verso sinistra, come da esperienza comune. Posso però avere il centro di rollio alla stessa altezza del centro di gravità, in questo caso la vettura non presenterebbe rollio, come si dice in gerg o, rimane “piatta”. Oppure, ma è solo un caso teorico, il centro di rollio può essere più in alto del centro di gravità, durante una curva verso sinistra la vettura si inclinerebbe in senso antiorario.
Va detto che durante una curva, a causa dello scuotimento delle sospensioni, la posizione del centro di rollio cambia. Questo fatto può rendere il comportamento della vettura imprevedibile, per cui il centro di rollio dovrebbe rimanere sempre il più stabile possibile.

Barra antirollio


La barra antirollio è una comune barra, generalmente in acciaio, che collega le due ruote di uno stesso asse e lavora a torsione. Quando cioè comprimo la sospensione da un lato della vettura, questa spinge in alto la barra antirollio, che a sua volta spinge in alto anche la ruota dalla parte opposta ma con una forza minore, che dipende dalla rigidezza della barra. Se considero una barra antirollio infinitamente rigida, le due ruote dello stesso asse si muoverebbero insieme in verticale, e la macchina non presenterebbe rollio.
In ogni vettura sono presenti due barre antirollio, una per l’asse anteriore e una per l’asse posteriore, e queste offrono una notevole possibilità di regolazione. Variando la rigidezza relativa tra barra anteriore e barra posteriore è infatti possibile modificare il comportamento di sotto-sovrasterzo della macchina.
Durante la percorrenza di una curva si genera un trasferimento di carico dalla ruota interna verso quella esterna, dovuto a due contributi, la forza centrifuga e il momento di rollio. Se ho un asse con barra antirollio infinitamente rigida, e l’altro infinitamente cedevole (non c’è), l’intero momento di rollio si scarica sull’asse con barra infinitamente rigida, mentre nell’altro asse è presente il solo trasferimento di carico dovuto alla forza centrifuga. Questo significa che l’asse con rigidezza al rollio maggiore ha un trasferimento di carico più elevato, che si traduce in un angolo di deriva maggiore per gli pneumatici di quell’asse.
In parole povere, irrigidire la barra antirollio anteriore accentua il sottosterzo, irrigidire quella posteriore accentua il sovrasterzo. Si ottiene un effetto analogo anche irrigidendo le sospensioni di un dato asse. Se riduco le rigidezze, ottengo effetti opposti.

Scelta dell'altezza di rollio


A questo punto, non resta che scegliere l’altezza del centro di rollio ottimale per il miglior comportamento dinamico della vettura. Abbiamo visto che più il centro di rollio è vicino al baricentro, minore sarà il rollio della vettura. Questo è un fatto positivo, significa che la vettura risponderà più prontamente ai comandi, l’instaurarsi di un certo rollio infatti porta ad un ritardo di risposta. Tuttavia, se la vettura non presenta rollio, significa che sarà insensibile alla barra antirollio, e questo significa perdere un importante possibilità di regolazione del sotto-sovrasterzo. Se invece impongo il centro di rollio a terra, il rollio della vettura sarà massimo, significa cioè che la vettura sarà molto sensibile alla barra antirollio, è possibile effettuare regolazioni accurate, inoltre, con centro a terra, il corpo vettura si comporta come se fosse un pendolo ancorato al suolo, non viene impegnata aderenza trasversale con lo scuotimento.
Questa risulta essere quindi la soluzione migliore, l’auto avrà molto rollio ma sarà controllato dalle barre antirollio, quindi non è un problema.
Ora che sappiamo questo, capiamo che al variare dell’altezza di rollio , varia la rigidezza di un certo asse. Se ho due altezze di rollio molto differenti tra asse anteriore e asse posteriore, ad esempio con l’altezza di rollio anteriore a terra e quella posteriore coincidente con il baricentro, è equivalente a dire che ho una barra di torsione molto cedevole all’anteriore (ho molto rollio), e infinitamente rigida al posteriore (non c’è rollio), la vettura avrà una marcata tendenza al sovrasterzo. Per avere la condizione in cui i trasferimenti totali siano ripartiti tra i due assi come i pesi, ovvero in maniera equilibrata per avere una vettura il più neutra possibile, devo avere le altezze di rollio proporzionali alla larghezza della careggiata, cioè se la macchina ha le carreggiate anteriori e posteriori uguali, l’altezza di rollio anteriore dovrà essere uguale a quella posteriore, in caso contrario si hanno dei trasferimenti di carico diversi tra anteriore e posteriore, che portano a un certo grado di s otto o sovrasterzo.
È possibile anche definire le rigidezze delle barre antirollio anteriore e posteriore in funzione delle altezze di rollio e distribuzione dei pesi, per avere un comportamento neutro. A partire da questa vettura teoricamente neutra, è poi possibile variare le rigidezze delle barre per cambiare il comportamento della vettura nel modo desiderato.



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