ASSETTO: Quando un controsterzo non basta

Nell'ultimo articolo ci siamo lasciati con la considerazione che, sebbene il pilota possa adottare svariate tecniche per correggere o sfruttare i comportamenti intrinsechi nella natura di un'auto, non è scontato che l'auto si comporti come la sua ripartizione di pesi e trazione suggerirebbe.
Tra il pilota e le ruote (che scambiando forze con il suolo sono coloro che fanno si che l'auto si muova) c'è la scocca, il sistema sospensivo, quello frenante, i controlli elettronici e tanti altri sistemi che nel loro assieme definiscono la Dinamica del Veicolo.

Da Dinamista in Squadra Corse PoliTo, però, posso assicurarti che la Dinamica Veicolo è una materia incredibilmente vasta (ho passato gli ultimi 3 mesi della mia vita a definire la dinamica dell'auto 2018 e c'è ancora tanto lavoro da fare prima e dopo che l'auto metta le ruote in pista!) e va assunta a piccole dosi.  Ti ho già parlato dell'importanza dello schema sospensivo; una volta definito quello, è importante il come lo si realizza per sfruttare il massimo potenziale che lo schema prescelto può esprimere negli ingombri definiti dalla forma della scocca. I parametri di progettazione di uno schema sospensivo non sono però l'oggetto di quest'articolo; oggi parleremo di come si possono correggere comportamenti intrinsechi di un'auto già esistente, sulla base del feedback del pilota e di, eventualmente, sensori che possono aiutare a distinguere le cause di un determinato comportamento dell'auto.  

Ma diamoci un'ordine... 
Parlando di traiettorie, abbiamo visto che le curve si possono distinguere in 3 fasi: frenata, percorrenza, accelerazione.
Volendo dare un'organizzazione agli svariati interventi che si possono effettuare per modificare l'assetto di un'auto, possiamo di conseguenza dividerli in due macro-categorie: 

- Interventi di regime stazionario:
Ovvero interventi che influiscono sul comportamento dell'auto nelle 3 fasi della curva.

- Interventi di transitorio:
Che invece influiscono sul passaggio da una fase all'altra.

Partiamo dai primi, esaminando alcuni degli interventi più efficaci in regime stazionario...

Interventi di regime stazionario:

Abbiamo detto che si tratta di interventi che modificano il comportamento dell'auto nelle 3 fasi della curva; analizziamoli quindi una fase per volta...

Frenata: 

 - Ripartizione della coppia frenante: 
In questa fase si crea uno spostamento di carico verticale dal posteriore verso l'anteriore dell'auto.  Ciò significa che, se un'auto ad esempio pesa una tonnellata e ha una ripartizione dei pesi 50/50, in frenata sull'assale anteriore ci sarà un carico di 700 kg mentre sul posteriore solo 300.  
Semplificando di molto ciò che ci siamo detti parlando di pneumatici e trasferimenti di carico, potremmo dire che in una condizione di questo tipo, considerando che la forza longitudinale esercitabile dallo pneumatico sul terreno è proporzionale al carico verticale, la ripartizione ideale di coppia frenante sarebbe 70/30. (In realtà è un po' più complicato di così, ma approfondire l'argomento nel dettaglio richiederebbe un'articolo dedicato 😉). 
L'entità di questo spostamento di carico, però, è proporzionale alla decelerazione quindi cambia a seconda della curva; per questo motivo le auto da corsa danno la possibilità al pilota di regolare il bilanciamento freni da curva a curva, mentre le auto stradali montano un sistema chiamato valvola proporzionale che cambia la ripartizione di frenata in dipendenza della forza applicata sul pedale del freno. 

Percorrenza di curva:


- Camber: 
Escludendo i fattori aerodinamici, è il metodo per eccellenza per aumentare la tenuta laterale dell'auto.  Applicandolo in modo differenziato tra l'assale posteriore e anteriore, però, è possibile modificare anche il bilanciamento dell'auto correggendo un eventuale comportamento sotto(o sovra)sterzante.


L'importanza del camber statico applicato in fase di set-up è dovuta principalmente a 2 fattori:  

1) Mantenere la massima impronta a terra in fase di percorrenza di curva è fondamentale per tirar fuori il massimo potenziale dagli pneumatici.  Pochi schemi sospensivi, però, sono in grado di mantenere la ruota perpendicolare al terreno in fase di rollio.  L'applicazione di un angolo di camber statico negativo può compensare la perdita di campanatura in fase di rollio facendo si che lo pneumatico mantenga la massima impronta a terra quando serve. 

Osserva questa foto:

In questa immagine, tratta da una gara di un campionato Turismo Gruppo A di fine anni '80, puoi osservare a confronto un Alfa 75 (che monta sull'asse posteriore uno schema Ponte de Dion - Recupero di camber 100%) e una BMW M3 e30 (che invece monta sull'asse posteriore uno schema a bracci oscillanti con valori di camber recovery vicini allo 0).  Osservando le ruote posteriori, si vede in modo chiaro quanto sulla BMW sia stato applicato molto più camber statico rispetto alla 75. 

2)  Se la ruota non è perpendicolare al terreno, ma presenta un angolo di campanatura, esercita una forza laterale sull'asfalto proporzionale al carico verticale esercitato su di essa. (E' il motivo per cui in moto per curvare si piega 😜)  Dato che in curva si verifica uno spostamento di carico verso l'esterno della curva, la forza verticale sulla ruota esterna (e, proporzionalmente, quella laterale dovuta al camber) sarà maggiore rispetto a quella esercitata dalla ruota interna e quindi si creerà una forza risultante diretta verso l'interno della curva che aumenterà la tenuta dell'auto.  Ovviamente c'è un limite, perchè maggiore è l'angolo di camber, minore è l'impronta a terra e quindi la massima forza laterale esercitabile dallo pneumatico.
In parole povere: un minimo di camber può essere utile, troppo ha effetti negativi non solo sull'aderenza, ma anche sul consumo degli pneumatici.

- Carico aerodinamico:

Sulle auto da corsa più spinte, in particolar modo sulle monoposto, sono gli effetti aerodinamici a farla da padrone quando si parla di tenuta dell'auto.  Modificando l'incidenza delle ali anteriore e posteriore è possibile aumentare la tenuta a discapito della velocità massima, ma anche cambiare il bilanciamento dell'auto modificando il suo comportamento nella fase di percorrenza delle curve ad alta velocità. (Ricorda che gli effetti aerodinamici sono proporzionali alla velocità elevata al quadrato; cominciano a fare davvero la differenza superati i 100 km/h). 



Accelerazione: 

La tendenza dell'auto a sotto/sovra-sterzare in fase di accelerazione ("stazionariamente" parlando) è principalmente dovuta alla ripartizione della coppia motrice, alla ripartizione e distribuzione dei pesi e all'altezza del centro di massa; tutti parametri difficilmente modificabili in fase di set-up, salvo la possibilità di applicare zavorre sparse per l'auto. Si possono effettuare, però, diversi interventi per migliorare il comportamento dell'auto nel transitorio di uscita di curva; ne parleremo più avanti.

Interventi di transitorio:

Sin'ora è stato facile!  

E' facile infatti capire se un comportamento sovra/sotto-sterzante si presenta in ingresso, in percorrenza o in uscita di curva..  Tutta un'altra storia è capire se questo comportamento è una tendenza stazionaria o fa parte di un transitorio. 

Arriviamo perciò a parlare dei momenti della curva in cui l'assetto fa davvero la differenza, ovvero le 2 fasi che separano la frenata dalla percorrenza e la percorrenza dall'accelerazione. Fasi a cui, per l'occasione, farò riferimento con il nome, rispettivamente, di entrata e uscita di curva. In questo caso, però, dato che il più delle volte uno stesso intervento agisce in entrambi i momenti, credo sia più utile analizzare uno per uno i singoli interventi guardando nel dettaglio gli effetti che hanno sul comportamento dell'auto nelle diverse fasi della curva.

Prima di cominciare però, come ogni volta in cui ti parlo di transitori, ti invito caldamente a ripassare (o a dare un'occhiata se è la prima volta che passi da queste parti 😜) l'articolo in cui tratto in modo specifico il concetto di stabilità. 
In particolare ti richiamo la definizione di stabilità come tendenza di un qualsiasi sistema dinamico a rimanere, se perturbato, nello stato in cui si trova. 

- Convergenza (Toe):

E' l'intervento di assetto forse più intuitivo: 
Un angolo di sterzo "a chiudere" su entrambe le ruote di un asse crea, per ogni ruota, una forza che spinge verso il centro dell'assale. La sommatoria delle forze le annulla, ma l'effetto è stabilizzante (Un pò come se le ruote spingessero per far si che l'auto resti dov'è o, meglio, affinchè mantenga il suo angolo di imbardata iniziale).  All'opposto, chiaramente, un angolo di divergenza destabilizza l'assale rendendolo più reattivo. 
L'intervento ha, però, anche degli effetti collaterali: 
Aumenta il consumo degli pneumatici, aumenta la resistenza all'avanzamento. 

Come set-up di base, in genere, si da' un'angolo di leggera convergenza all'assale posteriore al fine di stabilizzare l'auto in fase di ingresso in curva. 
Per l'assale anteriore dipende dalla trazione: un po' di divergenza può essere utile per rendere l'auto più precisa e reattiva in ingresso curva, ma, se c'è trazione sulle ruote anteriori, potrebbe favorire il sottosterzo in uscita. 

 - Elementi dinamici (molle e ammortizzatori):
 

Modificando la rigidezza di molle e ammortizzatori si va ad agire direttamente e quasi esclusivamente sui momenti di transitorio, ma andiamo con ordine:
Una molla, per definizione, è un elemento che resiste elasticamente alla sua deformazione; in generale, perciò, la forza esercitata da una molla è direttamente proporzionale alla sua deformazione. Uno smorzatore (o ammortizzatore), invece, resiste in modo viscoso: ovvero con una forza proporzionale alla velocità con cui viene deformato. 

A livello di set-up, generalmente, di una molla si può cambiare la rigidezza semplicemente sostituendola. L'ammortizzatore, invece, può essere regolato tramite valvole ed, essendo un elemento più complesso (descriverne il funzionamento richiederebbe un articolo a parte), permette maggiori regolazioni: in particolare, ammortizzatori più spinti sono provvisti di fino a 4 valvole di regolazione che permettono di cambiare la "durezza" dell'ammortizzatore rispettivamente in compressione o in rilascio, a velocità alte o basse. Il lavoro di questo tipo di ammortizzatori si può, solitamente, descrivere con una curva di questo genere...  

... con le 4 valvole di regolazione che vanno a cambiare la pendenza dei quattro segmenti.  Il grafico semplifica abbastanza, ma ho cercato di renderti evidente quanto il comportamento dell'ammortizzatore possa dimostrarsi asimmetrico a seconda che esso si comprima o si estenda. Che l'ammortizzatore sia regolabile o meno, è sempre progettato per intervenire maggiormente in estensione che in compressione. 

Perchè?   

Immagina di guidare sereno su una strada di città, quando davanti a te si prospetta un mostro di questo tipo..   

... non fai in tempo a rallentare, lo prendi in pieno, le ruote anteriori salgono e molle e ammortizzatori si comprimono. Ecco, in questo momento nessuno vorrebbe avere una sospensione troppo rigida.  😜
Il dosso è passato, l'assetto dell'auto si ristabilisce e tu torni a guidare sereno, a meno che l'auto non continui a sobbalzare e oscillare come farebbe una qualunque massa sospesa solo su molle.  L'ammortizzatore nasce per questo; per fermare l'oscillazione dell'auto, ovvero il transitorio, una volta che la molla ha raggiunto il suo punto di equilibrio stazionario; non per impedirgli di raggiungerlo.

Morale della favola: l'effetto della rigidezza delle molle è preponderante in fase di compressione, quello degli ammortizzatori, in genere, lo è in fase di estensione.  

Il lavoro delle molle e quello degli ammortizzatori, in ogni caso, non possono essere trattati in compartimenti stagni. Nella storiella del dosso artificiale ti dicevo che qualunque massa sospesa solo su una molla continuerebbe ad oscillare per molto tempo prima che gli attriti interni alla molla la fermino, ti richiamo questo esempio perchè da qui possiamo arrivare in modo abbastanza intuitivo a quello che forse è il principio fondamentale alla base della regolazione degli elementi dinamici:  la frequenza naturale di oscillazione. 
Immaginiamo che la nostra massa sospesa, dopo uno spostamento iniziale, sia libera di oscillare.  E' abbastanza intuitivo che se la molla fosse più rigida la stessa massa oscillerebbe più velocemente, se la massa fosse maggiore la stessa molla oscillerebbe più lentamente.  La velocità a cui la massa oscilla naturalmente è espressa, appunto, dalla frequenza naturale di oscillazione del sistema che, anche se ci fosse uno smorzatore in parallelo alla molla, dipenderebbe comunque unicamente dalla massa e dalla rigidezza della molla. 
Ok, direi che possiamo fermarci con il ripasso di fisica...  torniamo alle sospensioni della nostra auto.
Va da se che se, cambiando la rigidezza delle molle, cambia la frequenza naturale e quindi la velocità con cui la molla, oscillando, si comprime ed estende, cambierà anche il "punto di lavoro" degli ammortizzatori che, con la molla, oscilleranno più o meno velocemente e che dovranno, quindi, essere regolati di conseguenza. 

Va be', ho capito, ma noi stavamo parlando di comportamento dell'auto in curva..  sta roba al massimo ci interessa quando prendiamo una buca giusto? 

SBAGLIATO!! 

Se hai letto l'ultimo o questo oppure quest'altro articolo, dovresti ormai averne fin sopra i capelli di sentirmi ripetere che, nelle varie fasi della curva, l'inerzia dell'auto genera uno spostamento di carico che fa si che il carico verticale agente sulle gomme varii. Se tra le gomme e il telaio dell'auto ci sono delle molle e degli smorzatori questi ci interessano eccome!  

Ma in che modo?

Alla fine, quando si parla di transitorii, tutto si riduce al caro vecchio concetto di stabilità: 
Abbiamo visto che una molla più rigida aumenta la frequenza naturale di oscillazione della sospensione; frequenza naturale più alta significa maggiore velocità di risposta da parte della molla ovvero una maggiore reattività dell'assale in fase di spostamento di carico. 
Al contrario, l'ammortizzatore assorbe tanta più energia nel processo quanto più è rigido, quindi un ammortizzatore con maggiore smorzamento significa da un lato maggiore stabilità, dall'altro una minore durata del transitorio, quindi più precisione di guida. 

Chiudiamo con.. 
 - Ripartizione della coppia motrice (bloccaggio del differenziale):

Il differenziale è un dispositivo pensato per aiutare l'auto in percorrenza di curva: 

Quando l'auto percorre una curva, infatti, le ruote interne alla curva descrivono una circonferenza di raggio più piccolo rispetto a quelle esterne nello stesso tempo e, quindi, dovranno ruotare più lentamente. Nei go-kart, ad esempio, le ruote motrici sono mosse da un unico albero collegato al motore da una catena e girano, per questo, sempre alla stessa velocità. Questo, tendenzialmente, destabilizza l'assale posteriore e rende difficile l'ingresso in curva; un problema che in genere i piloti risolvono in questo modo... 

Essendo però piuttosto complicato per un'auto sollevare la ruota motrice interna in ingresso curva (soprattutto se le ruote motrici sono davanti!), per le auto il problema è stato risolto con l'utilizzo del differenziale; ovvero un dispositivo che ripartisce la velocità di rotazione tra le 2 ruote motrici in modo da far ruotare più velocemente quella che incontra minor resistenza al rotolamento, assecondando quindi la naturale differenza di velocità tra le due ruote dell'asse richiesta dalle loro diverse traiettorie.   

Se questo sistema funziona alla grande in percorrenza di curve a velocità costante, pone un problema quando dalle ruote motrici arriva coppia. Per capire il motivo di questa affermazione, però, ci servono prima un paio di nozioni matematiche caratteristiche dei differenziali classici: 

1) La somma delle velocità di rotazione delle 2 ruote è uguale al doppio della velocità di rotazione dell'albero di trasmissione. 

2) Tralasciando gli attriti, la coppia che arriva a ciascuna delle 2 ruote è sempre la metà di quella che deriva dalla trasmissione. 

Ora immagina un'auto a trazione anteriore che, in uscita di curva, comincia a dare gas... 

Essendo sia in curva che in accelerazione, gli spostamenti di carico faranno sì che la ruota anteriore interna sia molto scarica, quasi al punto di sollevarsi. 

Ora, la nozione matematica (2) ci dice che la coppia che arriva alla ruota interna sarà uguale alla coppia che arriva su quella esterna, ma il carico verticale e, di conseguenza, l'aderenza sullo pneumatico interno saranno molto minori rispetto a quanto si avrà per quello esterno. La ruota interna, perciò, comincierà a pattinare prima che lo pneumatico esterno possa esercitare sul terreno tutta la coppia che l'aderenza gli consentirebbe di fare; in più, una volta che la ruota interna comincia a pattinare, accelera e, per la nozione (1), quella esterna tende a rallentare limitando di molto la capacità di trazione dell'auto. Lo stesso discorso si può estendere serenamente anche alle auto a trazione posteriore o integrale.

Per questo motivo sono stati inventati i differenziali autobloccanti: differenziali, cioè, che, essendo sensibili alla differenza di velocità di rotazione delle due ruote, si bloccano quando questa cresce oltre una certa soglia costringendo le ruote a girare alla stessa velocità. In questo modo, nella situazione vista prima, il differenziale non va più a gestire la ripartizione di velocità, ma quella di coppia, spostando sulla ruota esterna la coppia necessaria affinchè questa cominci a ruotare alla stessa velocità di quella interna quando inizia a pattinare. 

In questo modo aumenta la potenza (prodotto tra coppia e velocità di rotazione) che l'auto può scaricare a terra e la trazione in uscita ne beneficia. 

Si, ma cosa c'entra tutto questo con l'assetto? 

I differenziali autobloccanti possono essere tarati regolando la percentuale di bloccaggio a seconda che ci si trovi in fase di accelerazione o rilascio del gas. Un bloccaggio del 70% in fase di coppia, ad esempio, significa che la ruota più carica prenderà a girare al 70% della velocità di quella interna alla curva.

Un differenziale libero (o aperto), come abbiamo visto, in genere aiuta l'auto a curvare e presenta problematiche in fase di uscita di curva; potremmo dire che, in un certo senso, "tira" l'auto verso la fase di percorrenza. 

Un differenziale più chiuso, perciò, in fase di ingresso, si opporrà all'inserimento stabilizzando l'asse motore. In uscita, invece, il bloccaggio del differenziale tende a favorire il pattinamento di una delle 2 ruote (ricorda che non possono ruotare alla stessa velocità, curvare e mantenere aderenza allo stesso tempo! ) destabilizzando l'asse motore e rendendo l'auto più sotto/sovrasterzante (a seconda di quali siano le ruote motrici), ma decisamente più efficace in trazione.  Trovare il giusto compromesso è, perciò, cruciale per mantenere l'equilibrio fra trazione e stabilità dell'auto.

Proviamo a ricapitolare: 

L'obiettivo di questo articolo era di analizzare i principali interventi di set-up che si possono effettuare su un'auto esistente per correggere o bilanciare i suoi comportamenti intrinsechi di sotto/sovrasterzo nelle varie fasi delle curve. 

Abbiamo visto che ci sono interventi che agiscono principalmente sul regime stazionario delle 3 fasi di una curva; in particolare:

- Ripartizione della frenata

- Camber 

- Carico aerodinamico (vero solo per la fase di percorrenza, nelle altre 2 fasi la velocità non è costante e quindi non lo sono neppure le forze aerodinamiche)

 

Ci sono poi interventi che agiscono principalmente sui transitorii, stabilizzando o destabilizzando l'asse su cui vengono applicati; in particolare abbiamo visto:

- Convergenza

- Elementi dinamici

- Differenziale

Bene!  

Anche per oggi di carne al fuoco direi che ne abbiamo messa abbastanza...

Ci tengo a precisare che ciò che è scritto in quest'articolo è frutto principalmente di studi teorici e ricerche che, personalmente, non ritengo affatto un punto di arrivo, ma piuttosto un punto di partenza. Come ti dicevo all'inizio, in Squadra Corse, occupandomi della dinamica del veicolo, quando in primavera la nuova auto vedrà la pista, arriverà il momento per me di sporcarmi le mani e trovare davvero il set-up che permetta all'auto di esprimere al meglio il suo potenziale... 

So di avere ancora tanto da imparare e spero, quando la stagione sarà finita, di poter condividere con te qualcosa in più sull'argomento e di sapermi correggere se in questo articolo ho scritto qualche cavolata.   😅

Nel frattempo spero ti sia piaciuto!

Se è così o semplicemente l'hai trovato utile, come sempre non esitare a farmelo sapere con un LIKE 👍

Ci vediamo alla prossima, Ciao!  😜