QUESTIONE DI CINEMATICA: L'importanza dello schema sospensivo

In uno dei miei primi articoli ti parlavo del mio personalissimo modo di valutare le auto; oggi voglio entrare nel dettaglio accompagnandoti in un viaggio all'interno di uno degli aspetti che sono per me fondamentali per definire la qualità di un'auto:
Lo schema sospensivo. 

Ma partiamo dall'inizio.

Quando parliamo di sospensioni, intendendo per sospensioni tutto ciò che separa le ruote e tutto ciò che ad esse è solidale (masse non sospese) dal telaio dell'auto e da tutto ciò che ad esso è ancorato (masse sospese), bisogna distinguere due aspetti fondamentali:

- La cinematica della sospensione, ovvero il modo in cui la ruota si muove rispetto al corpo vettura. 

- La dinamica della sospensione, cioè come quest'ultima reagisce alle forze che le ruote e il telaio le trasmettono.

Parlando di cinematica, è importante chiarire il fatto che la ruota, o meglio il portamozzo attorno al quale la ruota è libera di ruotare, possiede 6 gradi di libertà; il che significa che può muoversi nello spazio in 6 modi: traslare nelle 3 direzioni, ruotare nelle 3 direzioni. 
La sospensione ha il compito di vincolare 5 dei 6 gradi di libertà del portamozzo, lasciando alla ruota (escludendo il suo rotolamento naturale) la possibilità di effettuare un solo movimento. 

In termini di Handling, l'ideale per mantenere sempre la massima impronta a terra delle gomme, sarebbe che questo unico movimento svincolato fosse sempre perpendicolare all'asfalto. Il problema è che non esiste un cinematismo che sia in grado di farlo in ogni situazione.
Quando si parla di cinematica della sospensione, perciò, ci si riferisce proprio a questo unico movimento svincolato. 

Viene da se che la cinematica della sospensione dipende interamente da come il portamozzo è collegato al telaio, quindi dallo schema sospensivo. 

In particolare si definisce Camber Recovery (Recupero di Camber) la capacità della sospensione di mantenere la ruota perpendicolare al terreno quando l'auto rolla. 



Dallo schema sospensivo, però, dipende anche il comportamento dinamico della sospensione nei 5 gradi di libertà vincolati.
L'argomento è parecchio complesso e non entrerò troppo nel dettaglio, ma è importante avere chiari 2 concetti:

1. Per definizione di vincolo, nei 5 gradi di libertà restanti la sospensione deve dimostrarsi quanto più rigida possibile. E' molto più facile che un braccio della sospensione si deformi elasticamente se lavora in flessione che se lavora in trazione e compressione.
2. Il modo in cui lavorano i bracci della sospensione dipende da come il portamozzo è vincolato ad essi.

In sintesi, si può scegliere di usare più bracci facendo lavorare ognuno in una sola direzione (in genere in compressione), oppure si può ridurre il numero di componenti facendoli lavorare in più direzioni (compressione e flessione ad esempio).

"Ammazza che papiello!"
Ho cercato di semplificare il più possibile, ma certi concetti tecnici purtroppo non sono poi così semplici..  

Sei ancora con me? 
Bene!
Comincia la parte divertente dato che, ora che abbiamo la teoria, possiamo dare un'occhiata più tecnica ad alcuni schemi sospensivi che credo sia importante conoscere.

Partiamo da uno schema che, nella sua semplicità, ha fatto la storia dell'automobilismo: 

Il Ponte De Dion:

Applicato all'asse posteriore, è la massima evoluzione della sospensione dipendente. 
Le ruote sono collegate ad un unico componente vincolato al telaio attraverso un complesso sistema di aste chiamato Parallelogramma di Watt. 
Un ponte rigido è di fatto l'unico schema sospensivo in grado di garantire che le ruote restino perpendicolari al terreno in ogni fase di rollio e beccheggio (non in caso di buche o dossi presi con una singola ruota però..) e questo aspetto, insieme ad una gestione molto particolare dello spostamento dei pesi in fase di uscita di curva, ha permesso alle Alfa Romeo degli anni 70 e 80 di macinare vittorie su vittorie nelle categorie turismo di tutto il mondo.

Quando Alfa ha smesso di produrre auto a trazione posteriore, nei primi anni novanta, è tramontato del tutto l'utilizzo di questo sistema per uso sportivo.  
Il sistema è oggi desueto e vede il suo utilizzo ridotto solo a poche utilitarie 
(Smart ad esempio) principalmente per una ragione: il peso. 
Far passare tutte le sollecitazioni per un solo componente richiede che quest'ultimo sia resistente e, di conseguenza, pesante; in più bisogna considerare il peso del Parallelogramma di Watt. 
Considerando che si parla di masse non sospese, l'effetto sulla dinamica del veicolo non è indifferente. 
E' importante notare però che la forma triangolare del Ponte fa si che quest'ultimo lavori quasi unicamente in compressione quando si parla di forze laterali. 


Mentre Alfa Romeo, nei campionati Turismo, adottava questa soluzione sulla 75, BMW si contrapponeva ad essa adottando sull'asse posteriore di M3 e30 e successivamente e36 un sistema di..  

.. Sospensioni a bracci oscillanti   (Trailing Arms) :

 
Soluzione senz'altro più leggera rispetto al Ponte De Dion, ma decisamente meno valida a livello sia cinematico che dinamico, questo tipo di sospensione indipendente consiste in un braccio completamente ancorato al portamozzo libero di ruotare attorno ad un perno ancorato al telaio. 
Come dicevo, questo schema è meno valido al livello cinematico in quanto ha un recupero di camber quasi nullo. 
In più, essendo il braccio oscillante solidale al portamozzo, in frenata e percorrenza di curva il braccio tende a flettere verso l'interno del parafango dando alla ruota un angolo di divergenza che destabilizza l'assale posteriore rendendo l'auto nervosa.


A rendere desueto anche questo schema fu Mercedes, che in quegli anni cominciava ad ottimizzare un sistema che si sarebbe poi rivelato una soluzione obbligata per qualunque auto avesse anche la minima aspirazione sportiva... 

 Il Multilink:

Si definisce Multilink una sospensione posteriore indipendente a 5 bracci, uno per ogni grado di libertà da vincolare.
Questa sofisticata soluzione è senz'altro più pesante e costosa del sistema a bracci oscillanti, ma presenta una cinematica notevolmente migliore dato che consente un recupero di camber importante in compressione ( 50 - 70% in genere).

La presenza di un braccio per ogni grado di libertà da vincolare, poi, fa si che i bracci lavorino tutti in compressione e questo si traduce in ottime prestazioni dinamiche.  

L'ulteriore vantaggio di una completa regolabilità della geometria della sospensione l'ha infine resa un must per qualunque auto che abbia particolarmente a cuore l'Handling. 


Concludiamo quindi il capitolo assale posteriore con una soluzione nata più di recente e diffusasi a macchia d'olio in particolar modo tra le auto a trazione anteriore di media fascia. 

Il Ponte Torcente (Twist-Beam Axle):

In questa soluzione la ruota è collegata, tramite un braccio oscillante, ad un assale comune alle due ruote fissato al telaio. La differenza dalla soluzione a bracci oscillanti è che i bracci non sono liberi di ruotare attorno all'assale, ma sono saldati ad esso.  
E' definita una sospensione semidipendente poichè l'assale è progettato per essere rigido in flessione e tenero in torsione, in esso è infatti integrata anche la barra antirollio.

Dai punti di vista cinematico e dinamico il sistema presenta limiti simili alla soluzione a bracci oscillanti, ma si pone come una soluzione competitiva per le auto a trazione anteriore che, essendo tendenzialmente sottosterzanti, traggono giovamento da un posteriore meno stabile è più scattante risultando più bilanciate dal punto di vista della guida; tanto più che questo è un sistema tendenzialmente rigido.
In più si tratta di un sistema semplice ed economico da produrre, caratteristica che si sposa bene con le auto a trazione anteriore di fascia media. 


Passando all'assale anteriore, la soluzione più classica è senz'altro.. 


Il Quadrilatero Basso: 
  

Considerando che per l'assale anteriore c'è da vincolare un grado di libertà in meno (quello dello sterzo 😜), il quadrilatero basso altro non è che un applicazione dello stesso concetto del Multilink: 4 gradi di libertà da vincolare, 4 bracci suddivisi in due triangoli (uno superiore, l'altro inferiore).
Presentando gli stessi vantaggi dello schema Multilink, si pone come la soluzione più valida sia al livello cinematico che dinamico in termini di Handling.
Il problema sono gli ingombri. 

Un tempo utilizzata su quasi tutte le berline di fascia medio alta, ad oggi questa soluzione trova applicazione solo sulle auto più sportive a trazione posteriore e motore longitudinale. 

A metà anni 90, Honda risolse il problema implementando.. 
 

Il Quadrilatero Alto:

Il triangolo superiore, collocato più in alto, si rimpicciolisce e si collega al portamozzo mediante un montante che aggira la spalla della ruota. 
In questo modo diventa possibile collocare gli attacchi al telaio molto più vicini alla ruota, riducendo gli ingombri e consentendo di conseguenza l'applicazione di un sistema cinematicamente e dinamicamente molto valido anche su un auto a trazione anteriore e motore trasversale.

Prima del 95, per un'auto a motore anteriore trasversale, la scelta era praticamente obbligata... 


Lo schema McPherson: 

Semplice, economico e poco ingombrante, lo schema McPherson sostituisce il triangolo superiore con l'ammortizzatore stesso che, così caricato in modo flessionale, dovrà essere più spesso e resistente.
Questo tipo di sospensione presenta diverse criticità:

1) A livello cinematico presenta un camber recovery quasi nullo in compressione.

2) A livello dinamico si presenta molto poco rigida sia in termini di mantenimento dell'angolo di camber in caso di forze laterali, sia in termini di mantenimento dell'angolo di sterzo in frenata. 



Tutto questo si traduce in una diffusa tendenza al sottosterzo in ogni fase della curva, ma come dicevo era una soluzione obbligata per le auto a motore anteriore trasversale. 
Tant'è che trova applicazione a bordo di un mito dei rally...

Facciamo il punto: 

Attualmente la maggior parte delle auto a trazione anteriore di fascia medio bassa, principalmente per ragioni economiche, combina il ponte torcente e il McPherson.  Esempi validi sono Fiat Punto, Toyota Yaris, Opel Corsa ecc... 

Auto a trazione anteriore di fascia più alta montano il quadrilatero alto per un anteriore più preciso (Alfa 147 e Honda Civic ne sono un esempio), più raramente si vede uno schema Multilink al posteriore su una trazione anteriore. (Alfa Romeo Giulietta per dirne una..)

Sulle berline a trazione posteriore o integrale è soluzione quasi universale l'impiego di Multilink al posteriore e quadrilatero alto all'anteriore. 
Non mancano le eccezioni: Subaru Impreza e Mitsubishi Lancer montano all'anteriore uno schema McPherson; anche BMW fino alla serie 3 monta una versione ottimizzata del medesimo schema. 

Bene!
Direi che adesso hai tutti gli elementi per valutare un'auto secondo il suo schema sospensivo. 
Personalmente è il primo aspetto che guardo in un auto perchè, prima di ogni altra cosa, per me è importante come si guida.  😉

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Noi ci vediamo al prossimo articolo, ciao!   😃

ESSERE VELOCI: Capitolo 4 - Il segreto dei maghi del bagnato

 

Ayrton Senna, Michael Schumacher, Jean Alesi, Jenson Button..   
Ci sono piloti che sul bagnato hanno sempre fatto la differenza.  

Nel Capitolo 1 abbiamo visto quali sono le traiettorie base per affrontare una curva in modo efficace su pista asciutta; sul bagnato le cose cambiano e non poco.  Oggi voglio condividere con te quelle che sono le tecniche base di guida sul bagnato che ho imparato sin'ora.  Sicuramente sono molte meno di quelle conosciute dai piloti citati sopra, ma spero le troverai utili  😁

Prima però facciamo un passo indietro e cerchiamo di capire cosa succede a livello fisico quando il fondo stradale diventa scivoloso:  
Ovviamente il coefficiente di attrito gomma-asfalto si riduce drasticamente e con lui la velocità in curva, ma non necessariamente le velocità in rettilineo; questo significa che le accelerazioni in uscita di curva e le frenate in ingresso diventano decisamente più importanti delle traiettorie in se. 
Le traiettorie perciò dovranno essere adattate in funzione della massima efficacia in frenata e accelerazione, ma in che modo?   

Ricordi quando ti parlavo di come lavora uno pneumatico e del modello ellittico? 

Come puoi vedere qualitativamente nel grafico, sul bagnato l'ellissi caratteristica dello pneumatico diventa più tondeggiante e stretta e la sua estensione dipende in modo molto più importante dalla velocità.  Cosa significa questo?

Significa innanzitutto che, se sull'asciutto la traiettoria è mirata a minimizzare il raggio della curva (e quindi la forza centrifuga) per aumentare la velocità di percorrenza, sul bagnato questo intento è vanificato dalla velocità stessa che va a ridurre drasticamente la massima forza centrifuga che gli pneumatici possono supportare.

In pratica, a prescindere dalla traiettoria, oltre una certa velocità l'auto letteralmente non gira; quindi non è tanto la velocità di percorrenza della curva a fare la differenza quanto il frenare il più tardi possibile e accelerare il prima possibile. 

In secondo luogo, il fatto che l'ellissi si avvicini maggiormente a un cerchio come forma significa che la diminuzione del coefficiente di attrito è più importante per le accelerazioni longitudinali che per quelle laterali.  Diventa quindi ancora più importante accelerare e frenare a ruote dritte e percorrere la curva a una velocità quanto più costante possibile.

In questi termini esistono 2 tipi di traiettoria che si rivelano efficaci in condizioni di pista bagnata: 

Vediamo la prima...   

Questa è senz'altro la più usata e la più sicura: si tira la staccata a ruote dritte fino all'ultimo momento possibile per poi percorrere la curva rimanendo sul lato esterno a velocità quanto più costante tenendo un filo di gas.  Finita la curva, a ruote dritte si riaccelera.  
Il motivo per cui non si va alla corda è fondamentalmente un tentativo di evitare il sovrasterzo, dato che sul bagnato è difficile da riprendere e comporta un'enorme perdita di tempo (anche più del sottosterzo, non a caso nel Turismo le auto a trazione posteriore difficilmente stanno dietro alle trazione anteriore sul bagnato).

La seconda invece...

... è teoricamente più efficace, ma decisamente più rischiosa e difficile da seguire: 
In fase di ingresso non cambia nulla; la grossa differenza sta nel fatto che, non appena diventa visibile l'uscita della curva (zona arancione), il pilota va a rallentare ulteriormente sfruttando l'alleggerimento del posteriore, dovuto al beccheggio dell'auto, per andare a chiudere la curva, raddrizzando e aprendo il gas in anticipo.
E' teoricamente più efficace perchè si percorre meno strada e si apre prima il gas; decisamente più rischiosa poichè, quando si va a rallentare per chiudere, è facilissimo perdere il posteriore dell'auto, così come il sovrasterzo di potenza è in agguato quando si apre il gas in anticipo.   

Scegliere l'una o l'altra traiettoria dipende perciò dalla stabilità di base dell'auto e dalla confidenza che c'è tra questa e il pilota. 
Molte volte, a dir la verità, a decretare la maggiore efficacia dell'una o l'altra traiettoria sono le caratteristiche della specifica curva: la pendenza, una pozza d'acqua, un cordolo possono diventare fondamentali nel definire la migliore traiettoria per affrontare una curva.

Bene! 
Conoscere le basi sulle traiettorie da bagnato ti consentirà di non fare la figura del principiante, ma non basterà se vuoi davvero fare la differenza. Vediamo perciò alcuni trucchi usati dai piloti migliori al mondo nella massima Formula.

Come ti accennavo, sul bagnato è cruciale evitare il sovrasterzo poichè è difficile da controllare e, nel controllarlo, si perde davvero tanto in termini di tempo sul giro; è necessario perciò guidare in un modo che stabilizzi l'auto in tutte le fasi della curva.

Michael Schumacher era famoso per essere in grado di farlo utilizzando l'acceleratore in fase di frenata. Sfiorando l'acceleratore in staccata, infatti, riusciva a limitare lo spostamento di carico verso l'asse anteriore dell'auto rendendo meno nervoso il posteriore; cosa che a sua volta gli permetteva di staccare più tardi e più forte degli altri. 

Un altro metodo largamente utilizzato è quello di giocare sulle cambiate in staccata, dove le scalate diventano più lente e meno aggressive, e in accelerazione, dove invece le cambiate sono anticipate e a giri più bassi. Tutto per evitare di destabilizzare l'asse posteriore dell'auto con sbalzi di coppia improvvisi. 

Un trucchetto che ha visto tra i suoi utilizzatori Jarno Trulli è quello di affrontare le curve dando dei colpi di sterzo decisi e con angoli esagerati. In questo modo il pilota evita il sovrasterzo in ingresso innescando volutamente del sottosterzo, stabilizzando l'auto e rendendola più facile da controllare. 

Adesso sai anche qualche trucchetto del mestiere, ma nel titolo ti parlavo di un segreto... 

Ebbene il vero segreto dei maghi del bagnato, quello che davvero permette di fare la differenza e di guadagnare anche un secondo al giro su tutti gli altri è la concentrazione!  

Guidare sul bagnato significa esplorare costantemente un limite che si sposta di giro in giro, di curva in curva. 
La capacità di percepire il limite e rimanerci su senza mai superarlo ne allontanarsi troppo da esso per tutta la durata di una gara è ciò che davvero separa i maghi del bagnato da tutti gli altri..  ed è tutta una questione di pazienza e concentrazione. 
Semplice  😉

Per quanto possa essere semplice mantenere la totale concentrazione per 1 o 2 ore..   Io non ci sono mai riuscito  😅

Adesso direi che abbiamo visto proprio tutto. 
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Noi ci vediamo alla prossima..   Ciao!  😜

EGR System: Perchè è nato, perchè spesso muore

Il sistema EGR è spesso oggetto di malfunzionamenti e rogne varie, soprattutto per i proprietari di auto diesel di piccola cilindrata, ma non solo. In questo articolo cercherò di spiegarti in modo semplice che cos'è, a cosa serve e per quale motivo spesso si decide di escluderlo. 

Per farlo, è importante innanzitutto che sia chiaro di cosa parliamo quando entrano in gioco due agenti inquinanti di cui spesso si sente parlare:   NOx e HC

I più in voga ultimamente sono sicuramente gli NOx (ossidi di azoto):
Una delle prime nozioni di chimica che si imparano a scuola è che l'azoto è un gas inerte, si trova in natura in forma generalmente biatomica (N2) e in questa forma compone circa il 78% dell'aria che respiriamo.   

Nella combustione ideale, come ti dicevo anche in questo articolo, l'azoto non prende parte alla reazione e viene fuori dallo scarico esattamente come vi è entrato. Purtroppo nei motori delle nostre auto, però, le cose non vanno proprio in questo modo:


Sebbene l'azoto sia inerte, infatti, tutti i legami chimici si rompono se si fornisce una sufficiente quantità di energia. 
Succede, perciò, che ad alte temperature la molecola di azoto si rompa liberando 2 atomi di azoto reattivi che tenderanno a legarsi all'ossigeno dando vita, appunto, agli ossidi di azoto. (NO, NO2 ecc..  in generale NOx) 
Gas tossici per l'uomo e la cui emissione viene regolarizzata dalle norme antinquinamento.  

Il secondo protagonista importante di questo articolo sono gli HC: acronimo anglofono per definire gli idrocarburi incombusti.  Ovvero dei residui di olio e carburante che non fanno in tempo a bruciare in camera di combustione e vengono fuori dallo scarico in forma di vapori inquinanti.

Entrambi questi agenti inquinanti, date le maggiori temperature di combustione e la maggiore concetrazione di carbonio nel gasolio, sono presenti in modo decisamente più consistente nei motori diesel ed è per questo tipo di motori che nasce il Sistema EGR, anche se la sua applicazione si è poi estesa anche ai motori a benzina:

EGR è l'acronimo inglese per Exhaust Gas Recirculation System, ovvero sistema di ricircolo dei gas di scarico.
Concettualmente il sistema è piuttosto semplice: un condotto che recupera una parte dei gas di scarico (dal 5 al 15%) per reimmetterli nell'aspirazione.
 
In questo modo si ottiene un duplice effetto: 

1) Si riduce la concentrazione di ossigeno nella miscela che viene in parte sostituito dall'anidride carbonica dei gas di scarico. Di conseguenza la temperatura di combustione si abbassa riducendo la formazione di NOx.  

2) Gli idrocarburi incombusti (HC) presenti nella porzione di gas di scarico reimmessi nell'aspirazione hanno nuovamente occasione di bruciare. Si riduce così l'emissione anche di questo secondo agente inquinante. 

In genere il sistema EGR è composto da: 

- Una valvola elettroattuata:
La quantità di gas di scarico rimessi in circolo è controllata dalla centralina in dipendenza dei giri motore. 



- Un radiatore ad acqua: 
Riscaldare l'aria nel collettore di aspirazione la renderebbe meno densa riducendo l'efficienza volumetrica del motore (il massimo quantitativo d'aria che può entrare in camera di scoppio) e, di conseguenza, la potenza.




Il sistema è installato in modo diverso a seconda del tipo di motore e della specifica antinquinamento, ma uno studio delle varie configurazioni che può assumere e dei risultati quantitativi che si possono ottenere andrebbe decisamente troppo nel tecnico; ben oltre l'obiettivo di questo articolo. 

A questo punto credo sia decisamente più utile parlare dei motivi per cui questo sistema, ad oggi obbligatorio per legge, goda di una pessima fama nelle officine di tutto il mondo. 😅

Innanzitutto è chiaro che, trattandosi di un sistema che maneggia gas di scarico non filtrati, soprattutto nei motori diesel, ha la tendenza ad imbrattarsi e questo, nel lungo termine, ne mina l'affidabilità dato che la valvola tende a bloccarsi. 
Il sistema, in più, tende a far imbrattare tutto quello che viene dopo, quindi anche il collettore di aspirazione che si va nel tempo ad otturare sempre di più riducendo l'efficienza del motore e di conseguenza riducendo la potenza e aumentando i consumi.

In secondo luogo bisogna considerare che, anche in perfette condizioni di marcia, il sistema EGR ha l'obiettivo di ridurre l'ossigeno in camera di scoppio; cosa che riduce inevitabilmente l'efficienza volumetrica del motore impattando negativamente su prestazioni e consumi. 
In un motore turbo, poi, il sistema va a ridurre la pressione dei gas di scarico in ingresso della turbina; effetto che si sente soprattutto a bassi regimi aumentando il turbolag. (Approfondirò il funzionamento dei motori sovralimentati in un altro articolo  😜)

Per questi motivi, in ogni caso, non è raro che, dinanzi ad un malfunzionamento, piuttosto che sostituire il costoso componente, si scelga di escludere il funzionamento di questo sistema meccanicamente (con una flangia metallica) o in modo elettronico tramite mappatura della centralina. L'auto in definitiva sembra giovarne in ogni frangente, anche se inevitabilmente inquina di più.  ( Ed è illegale!!! )

Bene!  Direi che questo articolo si conclude qui. 
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Noi ci ritroviamo al prossimo approfondimento,  ciao!   😃