RIGIDO, MA NON TROPPO: Trasferimenti di carico e stabilità

Come ogni "animale da Track Day" sa più che bene, quando si vuole convertire alla pista un'auto stradale la prima modifica fondamentale da fare è sicuramente l'assetto.  Ma cosa significa esattamente? 
Molti pensano che "fare l'assetto" significhi semplicemente abbassare l'altezza da terra dell'auto e irrigidire le sospensioni...  

Il che è vero, ma fino a un certo punto; perchè è vero che la rigidezza delle sospensioni di un'auto di serie è progettata prima di ogni altra cosa (più o meno a seconda del carattere dell'auto ovviamente) in funzione del comfort, quindi più morbido di quanto servirebbe in pista, ma è anche vero che, se F1 e Prototipi, che sono auto progettate esclusivamente per la pista, hanno un sistema di sospensioni piuttosto che due ponti rigidi saldati al telaio un motivo deve esserci!   

Ma andiamo per gradi..  

Qualche articolo fa ti parlavo del concetto di stabilità e di come per la guida su strada solitamente sia meglio inseguirla, mentre per la guida sportiva un'auto troppo stabile possa risultare goffa e lenta nei cambi di direzione. 
Per parlarti di come la rigidezza delle sospensioni influenzi la stabilità e la tenuta di strada dell'auto, però, è importante chiarire il concetto di...  

Spostamento di carico:

Quando l'auto affronta una curva, sulla massa sospesa agisce una forza centrifuga che "tira" il corpo vettura verso l'esterno. Essendo il corpo vettura sospeso su molle, questa forza genera un movimento, in particolare una rotazione, dello stesso attorno ad un asse definito asse di rollio. (La posizione dell'asse di rollio dipende dalla geometria delle sospensioni e assume un ruolo fondamentale quando si parla di handling)
Più grande è questa rotazione (il rollio appunto), maggiore sarà la compressione delle molle sul lato esterno della curva e quindi maggiore sarà il carico verticale scaricato dalle molle sulle ruote esterne. In modo speculare diminuirà il carico verticale sulle ruote interne. La somma delle forze verticali esercitate sulle ruote è però sempre uguale al peso dell'auto; si può quindi dire che una parte del peso si è spostata verso l'esterno della curva.




Una sospensione più rigida, in questo caso, significa che la molla eserciterà la stessa forza con una deformazione minore, ovvero che sarà sufficiente raggiungere un minor angolo di rollio per avere lo stesso spostamento di carico che risulterà quindi essere più rapido.  L'auto sarà perciò più reattiva nei cambi di direzione.  

(Nota: se le molle non ci fossero, come in un go-kart, non ci sarebbe rollio e lo spostamento di carico sarebbe istantaneo. Come se le molle avessero rigidezza infinita) 

In un sistema sospensivo, però, non ci sono solo le molle, ma agiscono anche gli ammortizzatori che, durante il movimento di rollio, assorbono energia smorzando lo spostamento di carico.
Se l'angolo di rollio, a parità di raggio e velocità della curva, sarà minore, l'energia assorbita dagli ammortizzatori sarà minore; cosa che in condizioni dinamiche può portare il sistema ad essere sottosmorzato e a reagire in modo oscillante al cambio di direzione.  (In soldoni se le sospensioni sono troppo rigide è possibile che l'auto saltelli nel momento in cui si effettua il cambio di direzione..  Un esempio lo trovi nel video sopra, un altro in quello qua sotto  😜)

 

Per concludere il capitolo stabilità, quindi, abbiamo visto che irrigidire le sospensioni rende l'auto più reattiva, ma c'è un limite oltre il quale si generano oscillazioni pericolose in rollio.  Il posizionamento di questo limite dipende fondamentalmente dalla massa dell'auto e dalla distanza del baricentro dall'asse di rollio.  In pratica dipende da come è stato progettato il telaio, oltre ovviamente alla durezza degli ammortizzatori.

Gli spostamenti di carico, però, hanno un effetto anche sulla tenuta di strada dell'auto.
(Ricordo ancora per chiarezza la differenza tra stabilità e tenuta di strada: la stabilità l'ho definita bene in questo articolo, la tenuta di strada è la massima forza laterale esercitabile dall'auto.. Indica perciò la massima velocità a cui l'auto può affrontare una determinata curva)

Qualche tempo fa, parlandoti di come lavorano gli pneumatici, ti dicevo che la forza orizzontale esercitabile dallo pneumatico è direttamente proporzionale al carico verticale agente su di esso. Il che è vero, ovviamente, nei limiti di progettazione della gomma: un certo pneumatico è progettato per lavorare al meglio con un determinato carico verticale. (è il motivo per cui i camion hanno gomme più grandi rispetto ai suv, che hanno gomme più grandi rispetto a un'utilitaria 😏)

Approfondiamo la questione:

Quando uno pneumatico raggiunge il suo massimo carico da progettazione, la sua tenuta raggiunge un picco per poi rimanere più o meno costante al crescere del carico verticale.  In questo caso, di solito, si ricorre ad un modello semplificato di questo tipo:

La pendenza e la posizione del limite di tenuta dipendono più che altro dal tipo di gomma; è possibile, però, modificare la pendenza della linea (alzando il carico limite) agendo sulle pressioni... 

Approfondirò gli effetti della pressione delle gomme in un altro articolo. 😜

Nel grafico è indicato come carico statico il carico verticale che viene scaricato sulla gomma quando l'auto è ferma. (Supponendo una ripartizione dei pesi 50 e 50 sarebbe un quarto del peso della macchina) 

Ora.. 

La distanza tra il carico statico e il carico limite dipende anch'essa dalla gomma o, meglio, dallo scopo per cui è pensata:

Le gomme di un go-kart, che è rigido e il cui peso varia molto a seconda del pilota, ad esempio, sono progettate per sostenere carichi verticali di molto superiori rispetto al quarto di peso del go-kart.  Il buon kartista sa che per essere veloci gli spostamenti di peso bisogna generarli e sfruttarli e le gomme sono progettate di conseguenza.

Per le gomme stradali, normalmente, vale un ragionamento simile:

In fase di progettazione, infatti, si tiene conto del fatto che il peso dell'auto può variare in modo non trascurabile tra condizioni di peso a vuoto e condizioni di pieno carico. In più, quando si incontra una sconnessione, le accelerazioni verticali per gli pneumatici raggiungono picchi di 3g; il che significa che, in quell'istante, il carico verticale sullo pneumatico è 3 volte superiore a quello statico. Per questo motivo, in genere, si tende a rinforzare la carcassa dello pneumatico per dare all'auto un comportamento più sicuro e prevedibile.
(Ovviamente c'è un limite! Nella prova del Juke, come vedremo, questo limite viene superato e gli effetti sono evidenti)

Rinforzare la carcassa dello pneumatico ha però un costo che si chiama aumento della massa non sospesa e delle inerzie rotanti. Per questo motivo, i pneumatici da competizione sono invece progettati per avere come carico limite un valore di forza verticale molto vicino a quello che sarà effettivamente il massimo carico verticale a cui saranno sottoposte le gomme.

Ma cosa succede quando si ha uno spostamento di carico?   

Abbiamo detto che il carico verticale scaricato sulla ruota esterna aumenta e specularmente si riduce su quella interna.  Riportando questo effetto sul grafico, si può intuire che, sino a quando si rimane al di sotto del carico limite, i due effetti si compensano e la tenuta complessiva dell'assale rimane la stessa. Quando però viene oltrepassato il carico limite la riduzione di tenuta della ruota interna non viene più compensata dall'aumento sulla ruota esterna, quindi la tenuta dell'asse diminuisce.  (Se ci fai caso è ciò che accade nella prova del Juke: la ruota posteriore interna si solleva e quella anteriore esterna non regge il carico portando il cerchio a strisciare a terra, mentre la posteriore esterna scivola verso l'esterno)

Fino ad ora ho parlato di spostamenti di carico trasversali, ovviamente vale un discorso identico in senso longitudinale quando ci sono frenate e accelerazioni.

Ricapitolando:

Abbiamo visto che, quando si effettua un cambio di direzione, la massa sospesa tende a rollare verso l'esterno della curva innescando uno spostamento di carico.

Irrigidendo le sospensioni si ha uno spostamento di carico più rapido che rende l'auto più reattiva (e quindi meno stabile), una sospensione troppo rigida tende a far saltellare l'auto pericolosamente in fase di rollio.

Ridurre gli spostamenti di carico, per costituzione degli pneumatici e soprattutto nel caso di pneumatici da competizione, aumenta la tenuta laterale complessiva dell'auto. Attenzione però! Gli spostamenti di carico dipendono unicamente dalla massa dell'auto, dall'altezza del baricentro e dalle misure di passo e carreggiata. La rigidezza delle molle influenza la velocità di questi ultimi, ma non il valore finale una volta raggiunto l'equilibrio. 

In conclusione:

Un irrigidimento delle sospensioni in genere giova in termini di handling, ma c'è un limite: 

La giusta rigidezza delle sospensioni dipende prima di tutto dal telaio, poi dalle gomme e infine dal tipo di tracciato.
Dopotutto c'è un motivo se prima di ogni gara c'è una sessione di prove dedicata al trovare l'assetto ideale.
 

Bene, per oggi direi che abbiamo messo abbastanza carne al fuoco.

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