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Movimenti della scocca - Baricentro, Trasferimenti di carico, Rollio

meccanica


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Movimenti della scocca

L'interazione fra i vari gruppi sospensivi, genera una serie di moti della scocca rispetto alla ruote che sono di particolare interesse per la definizione del comportamento del veicolo.

I più importanti di questi movimenti per il comportamento dinamico del veicolo sono il rollio e il beccheggio.

Il pompaggio, ovvero l'oscillazione secondo un asse verticale mantenendo la scocca parallela al terreno, è un moto che si può considerare come un caso particolare di beccheggio (una sorta di beccheggio simmetrico), mentre il moto di imbardata ovvero la rotazione attorno ad un asse verticale è una specie di sterzata che è legata all'aderenza dei pneumatici e alle dimensioni caratteristiche del veicolo (passo, carreggiata).

Tutte le forze che tendono a muovere la scocca si realizzano perché i pneumatici a contatto con il terreno offrono delle reazioni vincolari analizzando le quali è possibile determinare i moti ai quali è sottoposta la scocca.

Un parametro fondamentale per l'analisi dei moti è la posizione del baricentro.

Baricentro

Nei veicoli, come per tutti i corpi che sono soggetti alla forza di gravità, si può, conoscendo l'intensità del peso, la direzione ed il verso, definire un punto nel quale è possibile considerare concentrata ed applicata tale forza: questo punto è detto baricentro.



Per un veicolo la determinazione di tale punto è molto laboriosa però la ricerca di tale posizione, o meglio, l'accuratezza della ricerca di tale punto è di fondamentale importanza per la determinazione a priori del comportamento dinamico del veicolo.

                

 

La forza centrifuga ed il peso possono essere rappresentati come vettori agenti nel baricentro, così che la risultante di queste due forze diventi una linea inclinata funzione delle lunghezze dei vettori sommati.

Finché questa linea rimane all'interno della zona individuata dalle ruote il veicolo sarà stabile. Quando la retta d'azione della risultant 333h75d e arriverà all'esterno del piano d'appoggio il veicolo risulterà sottoposto ad un'azione di capovolgimento. Questo è il motivo fondamentale per cui i veicoli destinati alle corse presentano un baricentro molto basso, ottenuto abbassando le singole masse elementari (scocca, motore, trasmissione) come posizione rispetto al suolo, oppure allargando la carreggiata del veicolo.

Trasferimenti di carico

Per trasferimento di carico si intende la variazione delle quote parti del peso gravanti sull'asse anteriore e posteriore del veicolo rispetto alla situazione statica: questo effetto è causato dalle accelerazioni e dalle decelerazioni che si generano durante il moto.

In effetti si sposta la retta d'azione della risultante R fra il carico P e la forza d'inerzia Fi: il carico statico rimane infatti costante fra i due assi, mentre la forza d'inerzia, applicata al baricentro, genera un momento rispetto all'asse di beccheggio che carica un'asse e scarica l'altro.

Si ha in effetti una rotazione del baricentro la cui entità dipende dalla distanza del baricentro dall'asse di beccheggio, dalla flessibilità del sistema elastico e dal passo del veicolo. Si ricorda che l'asse di beccheggio è quell'asse trasversale al veicolo attorno a cui la scocca ruota durante i movimenti di beccheggio, tale asse si può determinare graficamente in funzione della geometria della sospensione.

 

Gli effetti del trasferimento di carico possono venire valutati con la relazione:

T = (a Mh) / L

 

Dove:  T è il trasferimento di peso [N]

a è l'accelerazione [m/s2]

h è l'altezza del baricentro [m]

M la massa del veicolo [Kg]

L lunghezza del passo [m].

 

Tale effetto è dovuto principalmente alle accelerazioni, siano esse positive o negative, che sono legate all'aderenza fra ruota e terreno: all'aumentare del coefficiente di aderenza si avrà un aumento delle forze di accelerazione e di decelerazione ottenibili, valori che sono poi legati agli effetti di trasferimento di carico.

Si noti come l'accelerazione in un autoveicolo a trazione anteriore comporta possibili effetti di sottosterzo in curva e perdite di aderenza, invece una decelerazione produce una limitazione nell'azione direzionale e frenante del retrotreno, e migliora (in teoria) le caratteristiche di frenata e direzionalità dell'avantreno.

In un veicolo a trazione posteriore, invece, l'accelerazione produce un aumento di aderenza al retrotreno e una peggiore direzionalità dell'avantreno.

Per limitare il beccheggio si opera con un irrigidimento del sistema molla-ammortizzatore che può però comportare perdite di aderenza, oppure si può limitare il beccheggio con un opportuna disposizione geometrica dei bracci di ancoraggio alla scocca, che permette di una sospensione detta anti-squat (cabrata) nel caso si opponga all'alleggerimento dell'avantreno o anti-dive (picchiata) nel caso si opponga all'alleggerimento del retrotreno.

In generale si tendono ad adottare delle sospensioni dotate di un cinematismo che realizzi durante l'escursione una variazione di passo tale che durante la corsa si generi uno spostamento orizzontale della scocca nella direzione opposta al senso di marcia del veicolo. Tale movimento della scocca, per essere attuato, richiede una notevole quantità di energia, che viene ottenuta a spese di quella che genera il beccheggio.

 

Rollio

Il rollio è il movimento che maggiormente condiziona la tenuta di un veicolo.

Il trasferimento di peso può avvenire, infatti, oltre che in senso longitudinale anche in senso trasversale. Il rollio è il movimento che viene a prodursi in un veicolo dotato di sospensioni che, effettuando una curva, diventa soggetto alla forza centrifuga. Essa, agendo principalmente sulla massa sospesa del veicolo, lo inclina nel senso opposto a quello del centro della curva.

Gli effetti del rollio sono negativi: se si sposta la massa sospesa si modificherà nello spazio la posizione degli ancoraggi e pertanto si modificheranno tutti gli angoli caratteristici. Il risultato è quello di far lavorare le gomme con degli angoli che non sono quelli previsti in fase di progetto.

Un'altra componente negativa legata al rollio della massa sospesa è che, agendo tramite i mezzi elastici presenti nelle sospensioni, si trasferisce il peso dell'auto dalla parte interna sulle ruote esterne alla curva.

Questi trasferimenti di carico sono di entità tanto maggiore quanto maggiore sono le forze che li generano, quanto maggiore è il peso del veicolo, quanto più alta è la posizione del baricentro e quanto minore è la larghezza della carreggiata.

La relazione che esprime il trasferimento di carico trasversale diventa allora:

F = (a Mh) / L

Dove:  F è il trasferimento di peso trasversale [N]

a è l'accelerazione [m / s2]

h è l'altezza del baricentro [m]

M massa del veicolo [Kg]

L lunghezza della carreggiata [m]



 

Centro di rollio

Quando si entra in curva si osserva come, a causa della forza centrifuga le masse subiscono un movimento analogo a quello di un pendolo, con l'unica differenza che il centro di rotazione in questo caso si trova più in basso delle masse sospese.

Questo punto virtuale si può determinare graficamente in funzione del tipo di sospensione.

La posizione può variare non solo in base al tipo di sospensione adottata all'avantreno o al retrotreno, ma anche dall'escursione di esse.

Di solito in un'autovettura gli schemi sospensivi sono diversi fra l'anteriore e il posteriore e quindi la posizione dell'asse di rollio (ovvero la congiungente fra il centro di rollio anteriore e il centro di rollio posteriore) determina l'asse virtuale intorno al quale il veicolo ruota durante il movimento.

L'asse è detto virtuale in quanto esso può variare la sua posizione durante le escursioni delle sospensioni, così come variano i rispettivi centri di rollio.

 

Asse d'inerzia

L'asse longitudinale d'inerzia è quella retta che congiunge i baricentri delle parti anteriori e posteriori del veicolo.

In realtà l'asse d'inerzia è una curva congiungente tutti i baricentri delle sezioni elementari, ottenute dividendo il veicolo con una serie di piani verticali ed ortogonali al suo asse longitudinale.  La condizione ideale per la tenuta di strada è la coincidenza dell'asse di rollio con l'asse di inerzia, condizione assai difficile da realizzare in pratica, per cui durante la progettazione del vicolo si cerca la disposizione più opportuna dei carichi (disposizione che influisce sull'asse d'inerzia) e la miglior scelta sul sistema sospensivo (che influisce sull'asse del rollio) per cercarli di avvicinarli il più possibile.

La posizione relativa influisce molto dal passaggio da marcia rettilinea a quella di accelerazione e decelerazione in particolare modo in curva.

In generale tanto più lontani si trovano i due assi tanto peggiore è il comportamento all'ingresso in curva, inoltre tanto più alto sarà l'asse d'inerzia tanto maggiori saranno i trasferimenti di carico e l'entità dell'angolo di rollio.

 

Barra antirollio

Un metodo usato e di sicura efficacia per contrastare il comportamento a rollio è l'adozione di una barra stabilizzatrice antirollio sia all'avantreno che al retrotreno, o spesso anche solo all'avantreno.

Si tratta di un dispositivo composto da due leve collegata da una barra elastica (molla di torsione) il cui funzionamento consiste nell'applicazione di forze contrarie all'inerzia della scocca generata dal mutuo movimento fra le barre di torsione e le sospensione. Il moto di rollio della scocca provoca l'affondamento della sospensione esterna e l'estensione di quella interna: tale movimento reciproco delle 2 ruote carica la barra antirollio che tende a ritornare nella posizione di equilibrio scaricando la sua forza sugli attacchi della scocca, che tende così a raddrizzarsi.

Bisogna però che la forza esprimibile della barra antirollio sia inferiore a quella della molla, altrimenti quest'ultima non risulterà in grado di caricarla e l'effetto sarebbe il sollevamento della ruota interna alla curva con evidente perdita di aderenza (ad esempio nel caso di molle morbide per avere più comfort e barra di rollio molto rigida).

Da ricordare che la barra antirollio non influisce sulla rigidità delle sospensioni dato che agisce sui movimenti asimmetrici fra due sospensioni di uno stesso asse.

 

Sottosterzo e sovrasterzo

Quando un veicolo percorre una curva di raggio costante ad una velocità costante, le forze che agiscono su di esso sono la forza centrifuga e la reazione data dai pneumatici: queste due forze rimangono normalmente uguali e contrarie. Quando però sul veicolo si verificano delle deviazioni dalla traiettoria imposta si  parla allora di instabilità direzionale.

I fenomeni di instabilità direzionale sono due: sottosterzo e sovrasterzo, ovvero quel particolare comportamento di un veicolo che tende, in curva, a percorrere una traiettoria con raggio diverso da quello imposto dallo sterzo.

    

 

Per sovrasterzo si intende la tendenza a stringere la traiettoria impostata con lo sterzo, viceversa il sottosterzo realizza una curva con raggio maggiore di quello imposto.

 

Questi comportamenti sono generati dal diverso valore dell'angolo di deriva assunto dai pneumatici anteriori e dai pneumatici posteriori. Se gli angoli di deriva fossero uguali sia anteriormente che posteriormente, il comportamento del veicolo sarebbe infatti neutro.

L'angolo di deriva è influenzato da una serie di cause esterne e da alcune cause interne al pneumatico. Le principali cause esterne che contribuiscono alla deriva del pneumatico sono: forze di trazione, forze di frenatura, forze di contenimento in curva e peso gravante sul pneumatico. Questi fattori influenzano l'angolo di deriva se la pressione di gonfiaggio è bassa, se la costruzione del pneumatico predilige il comfort di marcia e se il battistrada è molto tassellato.

Le cause esterne che effettivamente più influenzano la deriva sono però la posizione del baricentro del veicolo ed il tipo di trazione (anteriore, posteriore, integrale) della macchina.

 

Posizione del baricentro

In un pneumatico è facile osservare come maggiore sarà il peso gravante su di esso, minore sarà l'angolo di deriva: l'angolo di deriva è infatti inversamente proporzionale al carico.




Si noti però che difficilmente un veicolo avrà il baricentro frutto di una distribuzione simmetrica del peso: normalmente la posizione del baricentro è influenzata dalla posizione del motore, che implica uno spostamento del baricentro più vicino all'avantreno o più vicino al retrotreno.

Va ricordato anche che la disposizione del carico (anche aerodinamico), solitamente molto variabile, influenza la posizione del baricentro e tutto ciò ha effetto sull'entità della deriva.

Se abbiamo un baricentro arretrato verso il retrotreno, le ruote motrici scaricheranno a terra un peso maggiore e viceversa: è infatti molto importante limitare le disparità di carico fra avantreno e retrotreno e la tendenza al rollio con un molleggio tale da garantire comfort di marcia e aderenza anche sui terreni sconnessi, evitando i dannosissimi saltellamenti delle ruote spesso presenti con sospensioni troppo rigide.

 

Il mondo delle corse

In formula1 o meglio, nel mondo delle corse, esistono delle regole importanti:

- a parità di tutte le altre condizioni un veicolo più leggero potrà effettuare una curva più velocemente di uno pesante;

- a parità di tutte le altre condizioni il veicolo con minore trasferimento di carico sarà più veloce in curva.

Aumentando il trasferimento di carico si otterrà un peggioramento del grip ottimale, con una conseguente variazione delle caratteristiche di guida. Il veicolo può diventare sottosterzante o sovrasterzante per cui risulterà necessario intervenire sulla rigidità della barra antirollio o mediante le molle.

Nella gran parte delle vetture di serie, dove l'altezza del baricentro e quindi dell'asse d'inerzia si possono considerare entro certi valori abbastanza simili, conviene avere centri di rollio molto bassi o addirittura al di sotto del suolo per limitare la componente di sollevamento.

Oggigiorno è usuale progettare le monoposto, nel limite delle proprie conoscenze tecnologiche, molto al di sotto del limite di peso regolamentare. Questo per poter distribuire delle zavorre nei punti strategici, in modo da variare in base al circuito la distribuzione dei pesi complessiva del veicolo così da variare il comportamento dinamico del veicolo in base alle esigenze del pilota e del circuito.

Nella maggior parte dei casi, inoltre, si lavora con la ripartizione della frenata, in modo da controbilanciare nel momento della frenata, il trasferimento di carico fra il posteriore e l'anteriore.

Dal punto di vista dell'accelerazione sarebbe meglio avere il maggior trasferimento di carico posteriore per poter garantire più grip (nel caso di una monoposto di formula1, dove le ruote posteriore sono quelle motrici), anche se si perde in tenuta di strada.

Di norma si usano barre antirollio complete di un sistema di ammortizzamento (il terzo ammortizzatore che controlla il rollio) che sono regolabili durante le fasi della corsa. Lo scopo è quello di compensare il progressivo alleggerimento che si ha durante la gara, dovuto al consumo di carburante. Il serbatoio, sebbene progettato in posizione baricentrica, con lo svuotamento produce un abbassamento del baricentro, riducendo l'altezza del quale si ottiene una riduzione dei fenomeni di trasferimento di carico. Si rende quindi necessario un indebolimento progressivo delle barre antirollio.

Assetto da Formula1

Sottosterzo e sovrasterzo: sono due termini dei più usati dai piloti per descrivere il comportamento della propria monoposto. Il sottosterzo, in particolare, è uno dei problemi più spesso lamentati sulle moderne F1, anche se spesso il comportamento in curva varia (da sotto a sovrasterzante) durante la percorrenza.

 

Sovrasterzo

Sottosterzo

Il retrotreno manca d'aderenza, la vettura "punta" troppo l'interno della curva e tende a sbandare.

Manca aderenza all'avantreno l'inserimento in curva diventa più difficile.

Cause: poca incidenza ala posteriore, sospensioni al retrotreno troppo rigide.

Cause: poca incidenza ala anteriore, sospensione anteriore troppo rigida

Effetti: rischio di "perdere" il retrotreno e andare in testacoda. Usura eccessiva di gomme

Effetti: il pilota deve "allargare" o sterzare più del normale, rischio di uscite, usura gomme.

Rimedi: Aumentare i gradi d'alettone posteriore, ammorbidire la sospensione posteriore.

Rimedi: più incidenza ala anteriore; ammorbidire bare antirollio e sospensione anteriore, ridurre altezza da terra.

 

 







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