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!   😃