Sistemi Elastici: Il Cuore dell’Assetto tra Tecnica, Materiali e Dinamica

 

La molla elicoidale: la soluzione più diffusa per l'assetto moderno

Se c’è un argomento capace di regalare mal di testa e notti insonni a chiunque si approcci alla progettazione o alla modifica di un assetto, questo è senza dubbio quello dei mezzi elastici. Spesso ci si concentra solo sugli ammortizzatori, dimenticando che il vero compito di assorbire le asperità della strada e sorreggere il corpo vettura spetta a loro: le molle, nelle loro varie declinazioni.

In questo approfondimento tecnico, analizzeremo come funzionano i sistemi elastici, quali sono le soluzioni adottate nella storia dell’auto e perché, ancora oggi, la semplicità vince quasi sempre sulla complessità.

Qual è il compito di un sistema elastico?

Il principio di base è semplice: il mezzo elastico deve assorbire un carico mediante una deformazione proporzionale. Che si tratti di un urto secco (una buca) o di un carico lento e progressivo (il rollio in curva o il beccheggio in frenata), la molla deve immagazzinare energia per poi restituirla, cercando di tornare al suo stato iniziale.

Ma cosa rende "ideale" un sistema elastico? Per un progettista, la lista dei desideri è lunga:

• Ingombro e peso ridotti: ogni grammo risparmiato sulle masse sospese (e non) è oro colato.
• Elevata flessibilità: grande capacità di assorbimento.
• Rapido ritorno alla condizione iniziale.
• Resistenza allo snervamento: la capacità di non perdere la propria "forma" e forza dopo migliaia di cicli.
• Isteresi contenuta: ovvero il minimo ritardo elastico nella risposta.

Le diverse strade della tecnica: dalle balestre alla F1

1. Le Balestre: un ritorno inaspettato

Le balestre in acciaio sono il sistema più antico ed erano impiegate sulle carrozze trainate da cavalli prima ancora della nascita dei mezzi a motore. Sebbene siano state abbandonate per anni sulle vetture stradali a favore di sistemi più compatti, stanno vivendo una seconda giovinezza grazie ai materiali compositi. Le fibre moderne permettono di ottenere pesi piuma e un’altissima resistenza allo snervamento, superando i limiti del vecchio e pesante acciaio.

2. Barre di Torsione: la molla "srotolata"

Molto diffuse sulle vetture francesi di un tempo, le barre di torsione non sono altro che molle elicoidali sviluppate in senso rettilineo.

• Vantaggio: ingombro minimo, ideali per i retrotreni dove lo spazio è poco.
• Svantaggio: per avere un buon indice di snervamento devono avere diametri generosi e richiedono bracci della sospensione molto rigidi (e spesso lunghi) per poter generare la leva necessaria a torcerle. Tutto questo porta ad una struttura molto pesante a dispetto delle dimensioni ridotte.

Schema di una barra di torsione

3. Tamponi di gomma e aria

Sistemi come quelli a tamponi di gomma (resi celebri dalla Mini classica) hanno mostrato limiti evidenti: scarsa durata, isteresi elevata e difficoltà nel controllare i grandi movimenti. L’aria, invece, regna sovrana nei mezzi pesanti per la facilità di variare il carico, ma sulle auto soffre per ingombri e complessità del sistema.

4. Il sogno delle Sospensioni Attive

Negli anni '90 la F1 ci ha mostrato il futuro: sistemi a pistoni idraulici e pompe ad alta pressione capaci di annullare rollio e beccheggio, le famigerate sospensioni attive, poi messe al bando dalla FIA. Anche Citroen ha costruito la sua leggenda su principi analoghi (l'idropneumatica). Il problema? La durata nel tempo. Se in F1 il sistema deve reggere un GP, su una vettura stradale deve funzionare per diversi anni senza perdite o cali di pressione. Gli elevati costi di manutenzione e di realizzazione, legati alla presenza di serbatoi,  canalizzazioni e pompe, hanno portato al declino di un sistema sospensivo che era in grado di assicurare un confort di marcia inarrivabile per le altre tecnologie. 

Il ritorno alla semplicità: La Molla Elicoidale

Dopo aver esplorato ogni tipo di esotismo tecnico, la storia dell'auto torna sempre lì: alla molla elicoidale. Perché? Perché è il miglior compromesso tra semplicità, efficienza e costi. La troviamo sull'anteriore della quasi totalità delle auto moderne e in ogni categoria del motorsport.

Le molle elicoidali sono facili da progettare, costruire e, soprattutto, da sostituire. Se l’assetto non convince, cambiare un paio di molle con una costante elastica (K) diversa è l'operazione più semplice ed efficace che un preparatore possa compiere.

Conclusioni

Nella dinamica del veicolo, la soluzione tecnicamente più complessa non è sempre la migliore. Mentre i materiali avanzano, permettendoci di rivisitare concetti vecchi come le balestre, la molla elicoidale resta il punto di riferimento.

Prima di procedere al calcolo tecnico delle molle (che vedremo nel prossimo appuntamento), ricordate: il sistema elastico ideale non è quello che "sposta" il limite fisico, ma quello che permette all'intero assetto di lavorare in armonia, garantendo costanza di rendimento e affidabilità.

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Trasferimento di Carico: Il Movimento Silenzioso che Determina l'Aderenza e il Limite di Guida

 

Nessun pilota professionista, e nessun appassionato di assetto e dinamica del veicolo, può ignorare il concetto di Trasferimento di Carico. Non si tratta di un optional, ma di una forza fisica ineludibile che regola costantemente l'interazione tra pneumatico e asfalto, determinando in ogni istante il livello di aderenza disponibile per sterzare, frenare o accelerare.

In termini semplici, il trasferimento di carico è lo spostamento dinamico del peso (o, più precisamente, della reazione al peso) della vettura da una ruota all'altra, causato dalle forze di inerzia generate durante la marcia. Questo fenomeno è alla base di tre movimenti fondamentali della scocca:

• Beccheggio (Pitch): Trasferimento di carico longitudinale (in frenata e accelerazione).
• Rollio (Roll): Trasferimento di carico laterale (in curva).
• Imbardata (Yaw): Rotazione attorno all'asse verticale (non direttamente correlata al TC, ma coinvolta nella dinamica di sterzata).

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📐 Passo 1: Le Forze in Gioco e la Geometria

Quando un veicolo modifica il suo stato di moto (frena, accelera o curva), le forze di inerzia e la forza centrifuga agiscono sul suo Baricentro (CG), un punto virtuale che determina la distribuzione statica dei pesi.

Il trasferimento di carico si manifesta in due modi distinti:

1. Trasferimento Longitudinale (Beccheggio)

Avviene lungo l'asse anteriore-posteriore.

• In Frenata (Decelerazione): La forza d'inerzia, tendendo a conservare il moto, spinge la massa in avanti. Il carico si trasferisce dall'asse posteriore all'asse anteriore. Le sospensioni anteriori si comprimono e quelle posteriori si estendono. L'aderenza massima è sull'anteriore, motivo per cui i sistemi frenanti anteriori sono quasi sempre di dimensioni più generose rispetto a quelli installati sull'asse posteriore. In frenate estreme, il carico sull'anteriore può arrivare a superare il 65-70% del peso totale del veicolo.
• In Accelerazione: In accelerazione avviene il fenomeno contrari, la forza d'inerzia spinge la massa all'indietro (Cabrata/Squat). Il carico si trasferisce dall'asse anteriore al posteriore. L'aumento di peso sul retrotreno schiaccia gli pneumatici, migliorando la trazione posteriore e causando l'alleggerimento dell'avantreno.

Trasferimento di carico durante la frenata

2. Trasferimento Laterale (Rollio)

Avviene lungo l'asse destra-sinistra, in curva, ed è strettamente legato al Centro di Rollio (CR).

• La forza centrifuga spinge la massa sospesa verso l'esterno della curva.
• Il carico si sposta dalla ruota interna a quella esterna. Le sospensioni esterne si comprimono e quelle interne si alleggeriscono.
• Un trasferimento eccessivo carica al limite le gomme esterne mentre le gomme interne si alleggeriscono perdendo grip.

Trasferimento di carico durante la percorrenza di curva

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🔢 Passo 2: Calcolare il Trasferimento di Carico

L'entità del trasferimento di carico è determinata sia dall'intensità dell'accelerazione/decelerazione, sia dalle caratteristiche geometriche del veicolo.

Formula Generale del Trasferimento Longitudinale:

La variazione di carico (Delta P) su un asse (es. l'anteriore in frenata) si calcola basandosi sulla Forza di Inerzia e sul rapporto geometrico tra Baricentro (CG) e Passo (interasse).

La formula di base per il trasferimento di carico in frenata/accelerazione è:

Dove la Forza di Inerzia (Fi) si calcola come:

Dove G è l'accelerazione di gravità (9,81m/s^2).

Formula del Trasferimento Laterale (Semplificata):

Il trasferimento di carico laterale (LLT) è legato alla forza centrifuga che agisce sul Baricentro:

Dove la Forza Centrifuga è proporzionale a Fc:

🔧 Passo 3: Gestione del Trasferimento di Carico (Il Ruolo dell'Assetto)

Le formule ci rivelano i fattori cruciali da cui dipendono i trasferimenti di carico:

1. Altezza del Baricentro (CG - H): È il fattore più importante. Diminuire l'altezza del baricentro riduce proporzionalmente il trasferimento di carico (longitudinale e laterale), migliorando la stabilità e l'aderenza.
2. Carreggiata (T) e Passo (L): Carreggiate più larghe e passi più lunghi riducono l'entità del trasferimento di carico, rendendo l'auto più stabile e meno reattiva a variazioni improvvise.

La Regolazione Tramite Componenti

Sebbene le formule base non considerino molle o ammortizzatori, questi elementi sono il nostro strumento principale per gestire la velocità e la distribuzione del trasferimento di carico:

• Molle e Barre Antirollio: Agiscono sulla rigidezza laterale di un asse. Rendere un asse più rigido aumenta la quantità di carico trasferito su quell'asse e riduce lo spostamento sull'asse opposto (la quantità totale di trasferimento di carico è data dalle leggi della fisica, ma la distribuzione tra avantreno e retrotreno cambia).
• Una barra antirollio più rigida al posteriore, ad esempio, aumenta il trasferimento di carico laterale sul posteriore, riducendone il grip e potenzialmente inducendo il sovrasterzo.
• Ammortizzatori: Determinano la velocità con cui il trasferimento di carico si completa. Ammortizzatori troppo morbidi permettono un rollio e un beccheggio eccessivi, ritardando l'assestamento del carico e rendendo l'auto pigra. Ammortizzatori troppo rigidi possono trasferire il carico in modo troppo brusco, superando il limite di aderenza e causando instabilità immediata.

Il setup ideale mira a bilanciare i trasferimenti di carico, sfruttando l'aumento di aderenza sull'asse caricato (ad esempio in frenata sull'anteriore) senza causare l'eccessivo alleggerimento e la conseguente perdita di aderenza sull'asse opposto.

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Per un approfondimento sul ruolo del carico in dinamica, puoi guardare questo video, che spiega il concetto in modo conciso e ne sottolinea l'importanza.

Trasferimento di carico! Importantissimo ma cos'è? 🏍️ #moto #auto #tutorialmoto

Noi ci ritroviamo presto sempre qui su AutoMonAmour per il prossimo articolo sulla tecnica dell'assetto delle nostre auto.

Rollio e Centro di Rollio: il Movimento Invisibile che Decide la Tua Tenuta di Strada

 Oggi affrontiamo uno degli argomenti più cruciali per comprendere la dinamica del veicolo e, di conseguenza, come ottenere una tenuta di strada ottimale: il fenomeno del Rollio e il misterioso Centro di Rollio (CR).

È un argomento fondamentale non solo per i piloti, ma per chiunque voglia capire perché la propria auto si comporta in un certo modo in curva. Non temete, lo renderemo semplice e comprensibile!

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1. Cos'è il Rollio (E Perché Lo Senti Subito)

Il rollio è, in termini stretti, il movimento di rotazione della scocca della vettura attorno al suo asse longitudinale. In pratica, è l'inclinazione laterale che senti quando affronti una curva.

Quando entri in curva, la forza centrifuga agisce sulla tua auto, spingendo la massa verso l'esterno. Poiché la tua auto è dotata di molle, ammortizzatori e bracci elastici (anche se molto rigidi, come sulle auto da corsa), questa forza provoca l'inevitabile inclinazione del corpo vettura.

È lo stesso effetto per cui, quando curvi a sinistra, il tuo corpo viene spinto verso destra, costringendo i muscoli del collo a raddrizzare la testa. Semplice, no?

Il rollio e gli effetti sulle ruote interne

Se il veicolo non fosse dotato di un sistema di sospensioni non vi sarebbe rollio ma il confort di marcia sarebbe pessimo e, non potendo garantire il contatto ruota-terreno in caso di sconnessioni del terreno, anche la tenuta di strada su percorsi accidentati sarebbe fortemente compromessa.

💡 La prima conseguenza: Addio Grip Ottimale

Il rollio non è un semplice problema di comfort; è principalmente un nemico delle prestazioni e della sicurezza.

Come abbiamo visto anche nei nostri articoli precedenti sull'assetto, l'aderenza è data dalla gomma, e la gomma deve lavorare al meglio. Il rollio, però, fa un brutto scherzo:

1. Modifica gli Angoli della sospensione: Quando la scocca si inclina, la geometria delle sospensioni si deforma. Gli angoli caratteristici impostati in fase di progetto, come il Camber (l'inclinazione verticale della ruota), cambiano.

2. I pneumatici lavorano male: Di conseguenza, i pneumatici si trovano a terra con un angolo non ottimale, riducendo l'area di contatto effettiva e, di fatto, diminuendo il grip disponibile e la tenuta laterale.

3. Massa Sospesa: Il movimento e la sua entità (più è ampio e lento, meno reattiva sarà l'auto) dipendono dalla massa sospesa e dalla rigidezza delle sospensioni.

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2. Il Centro di Rollio (CR): Il Fulcro della Rotazione

Il rollio avviene sempre attorno a un punto ben preciso, un centro di rotazione immaginario (come il baricentro): questo è il Centro di Rollio (CR).

Il CR non è altro che il risultato, o se preferite, la "firma" del sistema di sospensioni della vostra auto. La sua posizione, sia sull'asse anteriore che su quello posteriore, è dettata dalla lunghezza, dall'inclinazione e dagli attacchi di tutti i bracci e i tiranti che compongono la sospensione.

L'unione del CR anteriore e del CR posteriore definisce l'Asse di Rollio. È attorno a questa linea invisibile che l'auto ruota quando subisce un'accelerazione laterale.

Il Centro di Rollio durante il rollio dell'auto

🚗 Il CR e la Forza Centrifuga

C'è una relazione fondamentale tra il CR e la dinamica in curva:

La forza centrifuga che spinge l'auto verso l'esterno della curva agisce sul Baricentro (CG) dell'auto (che si trova in alto). Allo stesso tempo, il rollio avviene attorno al Centro di Rollio (CR).

La distanza tra il Baricentro (CG) e l'Asse di Rollio (la linea che congiunge i due CR) forma un "braccio di leva". È questo braccio di leva che determina l'entità del momento di rollio e quanto la scocca tenderà a inclinarsi.

Semplificando al massimo: se riuscissimo a far coincidere il CR con il CG, il braccio di leva si annullerebbe e l'auto non rollerebbe affatto (come, in teoria, accade nei kart).

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3. CR: Dalla Statica alla Danza Dinamica

Trovare il Centro di Rollio è fondamentale in fase di progettazione e, in condizioni statiche (cioè con l'auto ferma e livellata), è possibile individuarlo con metodi geometrici precisi, basati sul prolungamento delle linee che congiungono gli ancoraggi delle sospensioni fino a incrociare la proiezione a terra della mezzeria del pneumatico.

In alcune configurazioni, soprattutto sulle auto più ribassate o con geometrie estreme, il CR può trovarsi addirittura sotto il livello del suolo (almeno in condizione statica).

🚧 Il Problema Reale: La Variazione

Il vero rompicapo per gli ingegneri (e la differenza tra un buon assetto e un assetto difficile) si manifesta quando l'auto è in movimento, ovvero in condizione dinamica.

Quando la ruota si muove verticalmente (per via di una compressione o di un'estensione degli ammortizzatori) e la scocca si inclina:

1. I centri di rotazione istantanea della ruota cambiano.

2. Di conseguenza, il Centro di Rollio si sposta.

Se il CR si sposta troppo o lo fa in modo imprevedibile, l'auto diventa ingestibile. Le reazioni in curva non sono lineari, rendendo la guida ed il comportamento dell'auto molto difficile da prevedere ed anticipare.

L'obiettivo primario nella progettazione delle sospensioni moderne (pensiamo ai sofisticati quadrilateri deformabili o ai sistemi multilink) è proprio questo: fare in modo che l'escursione del Centro di Rollio sia il più circoscritta possibile e che la sua posizione influenzi positivamente il comportamento desiderato (più sottosterzante o più sovrasterzante).

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Conclusioni: La Magia della Geometria

Come potete vedere, dietro un semplice movimento come l'inclinazione in curva si nascondono concetti geometrici e dinamici incredibilmente complessi. Ogni millimetro in cui un progettista sposta un punto di ancoraggio della sospensione (un'operazione che oggi si fa con complessi sistemi CAD) ha un impatto diretto sulla posizione del CR e, in ultima analisi, sulla sensazione che voi, al volante, percepirete.

Per il guidatore comune, è fondamentale sapere che il rollio è controllabile e che la sua gestione (magari con un buon set di ammortizzatori ed una giusta barra antirollio, che affronteremo in un prossimo articolo) è la chiave per un'auto bilanciata e performante.

Restate sintonizzati per la prossima puntata, dove parleremo di trasferimento di carico e come questo influenza il comportamento dell'auto durante la guida.

A presto e buona strada a tutti.