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Cinematica della sospensione
1. Introduzione
Lo scopo di una sospensione è anche quello di dare al veicolo capacità di tenuta di strada. Le funzioni primarie di un sistema di sospensione sono:
- Mantenere le ruote in atteggiamento adeguato alla curva e alla strada.
- Isolare il telaio dalla rugosità della strada.
- Resistere al rollio del telaio
- Mantenere le gomme in contatto con la strada con una variazione minima del carico Un parametro importante è la posizione del centro di rollio del veicolo.
1.1 Centro di rollio Nello studio sulla cinematica, parleremo circa tre centri di rotazione:
- Rc: centro istantaneo di rollio del telaio rispetto al terreno
- CI: centro istantaneo di rotazione di una ruota
- Rs: centro istantaneo del rotazione fra la ruota e la strada
Figura 1: Determinazione del centro di rollio
Rs è il punto di contatto fra ruota e terreno. Per trovare Ic (centro di istantanea rotazione di una ruota), si devono prolungare i due bracci di comando e determinare la loro intersezione. Per trovare Rc (centro di rollio), si deve tracciare una linea fra i punti Ic ed Rs di ogni ruota. L'intersezione di queste due linee è il punto Rc. Possiamo notare che i tre punti sono sempre sulla stessa linea.
2 Modifica del camber
2.1 Modifica con uno scuotimento a causa di un urto. Quando si ha uno scuotimento verticale, la variazione del camber dipende dalla posizione del centro Ic della ruota. La posizione centrale della ruota è funzione della lunghezza dei bracci della sospensione. Per minimizzare la variazione del camber la lunghezza dei bracci deve essere il più grande possibile e le forcelle devono essere parallele. La figura 2 mostra questa circostanza per una sospensione a bracci oscillanti.
Figura 2: Modifica del camber
2.2 Modifica con un moto di rollio Per sopprimere la variazione di camber in un moto di rollio, i due centri Rc ed Ic della ruota dovrebbero stare nello stesso punto, o ciò che è lo stesso, dovrebbe trascurarsi l’elasticità del pneumatico e la deformabilità dell’assale, come visto quando si è parlato dell’assetto verticale del veicolo in curva.
3 Modifica della convergenza
La modifica della convergenza quando si ha uno scuotimento della sospensione è denominata sterzatura d’urto, del quale si è parlato con la sterzatura.
4 Effetto della posizione del centro di rollio
Quando il centro di istantanea rotazione Ic si muove, il punto Rc può assumere quattro diverse posizioni attorno alla ruota. Figura 3 mostra le quattro diverse posizioni del punto RC.
Figura 3: posizioni possibili di Rc
4.1 Rc nel primo settore In questo settore, il centro di rollio è fra le due ruote ma in corrispondenza del sottosuolo. Questa posizione aumenta il rollio. Le barre antirollio sono sovraccaricate a danno della
L’asse di beccheggio è quell’asse trasversale al veicolo intorno a cui la scocca ruota durante i movimenti di beccheggio; tale asse si può determinare graficamente in funzione della geometria delle sospensioni (figura 5).
Fig. 5 Determinazione grafica dell’asse di beccheggio
I trasferimenti di carico sono di entità tanto maggiori quanto maggiori sono le forze che li generano, maggiore è il peso del veicolo, quanto più alta è la posizione del baricentro e quanto minore è la lunghezza del passo. Dato che tale effetto è causato dalle accelerazioni e dalle decelerazioni, si comprende come l’aderenza disponibile fra ruota e terreno ne influenzi l’entità: all’aumentare del coefficiente di aderenza si avrà anche un aumento delle forze di accelerazione o decelerazione ottenibili e quindi maggiori possibilità di trasferimenti di carico.
Fig. 6 Schematizzazione di sospensioni anti squat e anti dive Con una sospensione a triangoli sovrapposti
I trasferimenti di carico influenzano, oltre che il comfort, anche la tenuta di strada, dato che in frenata l’alleggerimento del retrotreno limita la sua azione direzionale e frenante. In accelerazione l’alleggerimento dell’avantreno comporta effetti diversi a secondo del tipo di architettura del veicolo, se a trazione anteriore o posteriore. Il moto di beccheggio inoltre influenza anche gli angoli caratteristici delle ruote a causa dell’affondamento o delle distensioni delle sospensioni stesse. Un metodo per ridurre gli effetti del moto di beccheggio è l’opportuna disposizione geometrica dei bracci di ancoraggio alla scocca, permettendo di ottenere una sospensione anti squat (cabrata), nel caso si opponga all’alleggerimento dell’avantreno, o anti dive (picchiata) nel caso si opponga all’alleggerimento del retrotreno (figura 6). Ciò è possibile posizionando i braccetti in posizione un po’ più alta verso il retro delle ruote anteriori, mentre al posteriore i braccetti vengono posizionati più in alto nella parte frontale delle ruote posteriori. Nella vista laterale dell’autoveicolo, l’angolo formato tra la congiungente i punti di attacco al telaio del triangolo inferiore della sospensione anteriore e l’orizzontale, è l’angolo anti
dive; analogamente, l’angolo formato tra la congiungente i punti di attacco alla scocca del triangolo inferiore della sospensione posteriore e l’orizzontale, è l’angolo anti squat. Le controindicazioni agli schemi sospensivi dotati di anti dive o anti squat non mancano e vanno dalla crescente insensibilità dell’avantreno alle asperità stradali, in caso di accelerazione o frenata, alla diminuzione del comfort di marcia, al maggior consumo degli pneumatici e all’irrigidimento dello sterzo: si tende, pertanto, a limitare l’uso di questi accorgimenti imponendo percentuali basse di anti dive e anti squat, dell’ordine del 20% di inclinazione.
5.2 Anti-dive 5.2.1 Perché anti-dive Anti-dive è una geometria della sospensione che migliora il comportamento dell'automobile nei casi dei trasferimenti del carico. Quando i freni sono applicati, c’è un trasferimento del carico dalla parte posteriore alla parte anteriore.
Figura 7: Trasferimento del carico
con questo trasferimento, il carico sull'asse anteriore è
l
h
ma
l
c
W 1 = mg + (1)
Se non c’è anti-dive, quando l'automobile frena, la sospensione del veicolo si inflette in funzione della velocità della ruota.
5.1.2 L'effetto dell’anti-dive Quando c’è anti-dive, tutto il trasferimento del carico non è assorbito soltanto dalla molla ma i bracci della sospensione resistono in una proporzione variabile. Anti-dive si misura in percentuale del carico sostenuto dai bracci di comando. È possibile trovare un punto in cui il braccio di sospensione prende il 100% del trasferimento di carico. In questo caso, la molla non fa sforzi per resistere e non c’è inflessione della sospensione dovuta alla frenatura. Il trasferimento del carico c’è ma il telaio non si abbassa nella parte frontale. Con anti-dive, una certa massa non sospesa può trasmettere un certo sforzo alla massa sospesa. Il modo di controllare l’anti-dive è la posizione delle cerniere fra il telaio ed i bracci di comando inferiore e superiore. Oggi ci sono molti buoni software geometrici tri- dimensionali che calcolano questo parametro. Anti-dive è utile per ogni trasferimento del carico, per lo più nella situazione di frenatura ma il sistema lavora per tutte le situazioni quando una coppia di torsione sollecita il telaio.
5.1.3 Forze trasmesse dalla sospensione La forza verticale trasmessa dalla sospensione è facile da calcolare. Nella figura 8, possiamo trovare queste equazioni:
Figura 9: Anti-squat La forza Fx è diretta in senso opposto perché l’anti squat si manifesta in accelerazione.
