Formula 1: Quello che tutti vedono, ma pochi guardano... Recupero di Camber e Centro di Rollio

Si ricomincia...
Presentate le auto, percorsi i primi km di test, tutto sembra essere pronto per una nuova stagione di F1, ma aspetta...

Se hai aperto questo articolo sperando di trovare l'ultima soluzione definitiva che deciderà le sorti del campionato o un pronostico che, considerando tutti gli ultimi rumors provenienti da fonti interne segrete e del tutto affidabili, sia in grado di prevedere già adesso gli equilibri prestazionali e le forze in campo, nonchè i futuri sviluppi dei team protagonisti da qui a metà stagione ti posso da subito dire...  
NO.   
Non sono un giornalista, non vendo scoop nè mi interessa particolarmente che l'oggetto della mia analisi non sia mai stato trattato prima da nessun altro. Chi segue FR Tecnica già da un po' sa che la missione di questo blog è trattare temi dal mondo Automotive, più o meno tecnici, con un linguaggio che possa essere comprensibile a tutti (o quasi) e le mie intenzioni non sono cambiate.

Osservando alcune foto scattate nel corso degli ultimi test, mi sono reso conto di un aspetto che difficilmente viene trattato nei vari approfondimenti che si trovano in giro riguardo la F1, ma in cui, soprattutto tra le auto presentate quest'anno, ho notato la presenza delle soluzioni più disparate. Questa "libertà stilistica" mi ha incuriosito e, approfondendo l'argomento, devo dire che mi sono spiegato delle cose che sin'ora mi ero sempre limitato semplicemente ad osservare.  

Prima di continuare, però, ho bisogno che tu abbia chiari alcuni concetti teorici fondamentali per proseguire. 
Cominciamo da un piccolo ripasso...  

Se hai letto l'articolo in cui ti parlavo dell'importanza dello schema sospensivo e l'ultimo in cui approfondivo gli interventi di assetto che si possono fare per migliorare la dinamica di un'auto, dovresti avere ormai un'idea più che chiara su quanto sia importante che lo pneumatico mantenga un'inclinazione neutra o lievemente orientata verso l'interno della curva affinchè questo possa esercitare la massima forza laterale possibile quando il pilota lo richiede.
Dovresti anche sapere che si definisce Recupero di Camber la capacità della sospensione di mantenere la ruota perpendicolare all'asfalto quando l'auto rolla e che, nel momento in cui la sospensione non è in grado di esercitare questa funzione al 100% è possibile, anzi necessario, compensare il tutto con un angolo di camber statico applicato in fase di set-up. Il camber statico però costringe lo stesso pneumatico a lavorare inclinato quando l'auto non sta rollando, ma deve comunque esercitare forze importanti sull'asfalto (vedi fasi di accelerazione e frenata) e questo porta ad un'usura maggiore e ad una peggiore distribuzione della temperatura di esercizio lungo la superficie del battistrada. 

Tutto questo ci porta a una prima importante considerazione:  
In F1, contrariamente a quanto accade in altre categorie motoristiche, i fattori prestazionali più influenti sono, a parte la potenza dei motori ovviamente, l'aerodinamica (nulla di nuovo; sono auto che vanno a 300km/h e le forze aerodinamiche aumentano in modo quadratico con la velocità) e le gomme che, avendo una spalla molto alta, si deformano notevolmente assumendo quindi un ruolo fondamentale nella dinamica del veicolo in termini di rigidezza, smorzamento e trasferimenti di carico. Quando parliamo di sospensioni, quindi, non parliamo tanto di prestazione pura, quanto di gestione degli pneumatici, che però sono una parte fondamentale delle performance di una F1. 
Abbiamo, quindi, a che fare con un fattore prestazionale che potremmo definire indiretto e che si mostra a chi guarda le gare principalmente sottoforma di consumo degli pneumatici. 


Chiarito questo primo aspetto, tornando alle sospensioni, è il caso di approfondire l'argomento Camber Recovery prendendo in considerazione quello che è lo schema sospensivo tipico di tutte le monoposto in stile Formula di qualunque categoria e tempo: Il Quadrilatero Basso.

Uno schema che, come scrivevo nel primo articolo che ti ho citato, rappresenta una sfida ingegneristica particolare in quanto non ha un Recupero di Camber caratteristico come può essere il 100% di un ponte rigido o il quasi zero di un McPherson, ma può essere in grado di recuperare dallo zero a quasi il 70% di Camber a seconda di come viene realizzata. In pratica lo schema in se non garantisce nulla.
Quali sono, allora, i fattori che influenzano maggiormente questo parametro?

La risposta è semplice: La Geometria!

Lo schema sospensivo a Quadrilatero prende il nome proprio dall'aspetto che i triangoli superiore e inferiore assumono se osservati da una vista frontale dell'auto.

In figura è rappresentato un classico schema di quadrilatero semplificato dove sulla sinistra è rappresentata quella che potrebbe essere la sezione frontale del musetto di una F1 con gli attacchi sospensione (i cosidetti HardPoints) che vanno a formare un quadrilatero.  
Quello in figura, ad ogni modo, è il peggiore quadrilatero che si possa vedere in quanto, essendo in realtà un rettangolo, forma un meccanismo che viene definito parallelogramma articolato e un parallelogramma, per definizione, a prescindere dagli angoli tra i suoi lati è caratterizzato dal fatto che i suoi lati siano a 2 a 2 paralleli. Morale della favola, a prescindere da quanto si sposti verticalmente, la ruota rimarrà sempre parallela alla scocca: definizione di Camber Recovery 0%.  

Come risolvere il problema? 

Un primo metodo, quello più classico, è quello di trasformare il parallelogramma in un trapezio facendo si che il braccio superiore sia più corto rispetto a quello inferiore.  In questo modo il raggio della circonferenza intorno a cui ruoterà l'attacco montante superiore (Il montante, anche detto portamozzo, è il componente solidale alla ruota al quale si vanno ad attaccare i bracci della sospensione) sarà più corto rispetto a quello della circonferenza attorno a cui ruoterà l'attacco inferiore.  Questo, a parità di spostamento verticale della ruota, porterà ad uno spostamento orizzontale diverso tra i due attacchi montante facendo si che la ruota si inclini rispetto alla scocca recuperando Camber. 

C'è da dire però che quest'effetto, per diventare rilevante, necessita di una notevole differenza nella lunghezza dei 2 triangoli che dev'essere tanto maggiore quanto maggiore è la distanza tra gli attacchi ruota e gli attacchi scocca. Distanze che sono quasi sempre piuttosto vincolate dalla forma e dal packaging generale dell'auto.

Per fortuna un principio geometrico leggermente più avanzato ci viene in aiuto consentendo a chi progetta una sospensione di avere un impatto molto maggiore con modifiche decisamente meno invasive.  Il Principio dei Centri di Rotazione Virtuali.

Svincolandosi anche dal mantenere il parallelismo tra i piani su cui giacciono i due triangoli della sospensione e prolungandoli sino a farli incontrare, possiamo identificare l'asse definito dall'incrocio dei 2 piani come l'asse attorno a cui ruota lo pneumatico quando si sposta verticalmente. In sezione frontale quest'asse si riduce ad un punto detto Centro di Rotazione Virtuale o Centro di Istantanea Rotazione.
E' stato dimostrato che il recupero di Camber di una sospensione, con una geometria di questo tipo, è inversamente proporzionale alla distanza del centro di istantanea rotazione della ruota dall'asse di simmetria dell'auto. In pratica se il centro virtuale cade sull'asse di simmetria il camber recovery è 100%, se tende ad allontanarsi infinitamente (il caso dei triangoli paralleli) la sospensione non ha recupero di camber.  

Nei casi reali, poi, subentrano altri fattori che rendono impossibile andare troppo oltre il 70% di Camber Recovery, ma parlarne avrebbe il solo effetto di rendere quest'articolo un papiro lungo e complicato quindi non approfondirò oltre l'argomento.

A questa costruzione geometrica, però, si collega un altro concetto importantissimo che è quello di Centro di Rollio.

E' l'estensione del concetto di centri virtuali alla rotazione della cassa veicolo, ovvero al rollio dell'auto. 

Identificato dall'intersezione delle rette che congiungono i punti di contatto a terra delle ruote al loro centro di istantanea rotazione (in condizioni statiche, dato che le sospensioni sono simmetriche, cade sul piano di simmetria dell'auto, per questo nel disegno sopra è stato possibile identificarlo disegnando una sola sospensione), il centro di rollio è il secondo parametro fondamentale per definire la cinematica di una sospensione. 
Rappresenta il punto attorno a cui ruota la cassa veicolo e la sua altezza da terra, o meglio la sua distanza verticale dal centro di gravità della macchina, andando a modificare il braccio della forza di inerzia dell'auto in curva, definisce una sorta di rigidezza naturale della sospensione.

In parole povere: considerando che, affinchè la sospensione lavori in modo corretto, questo punto deve necessariamente trovarsi al di sotto del centro di massa dell'auto; più il centro di rollio si troverà in alto (vicino al centro di gravità), più l'assale tenderà a risultare rigido e reattivo; più sarà in basso, più la sospensione sarà morbidà e stabile.   

Il problema del Principio dei Centri Virtuali è che, trattandosi di punti non realmente esistenti, non sono fissi, ma si spostano in base allo spostamento verticale della ruota.. è per questo che sono anche detti Centri di Rotazione Istantanea, perchè lo sono solo in quel preciso istante della rotazione. 

Se i centri di istantanea rotazione delle ruote si spostano in fase di rollio, è inevitabile che lo stesso centro di rollio si sposti (quando accade, si parla di Migrazione del Centro di Rollio) andando ad originare fenomeni difficili da prevedere e controllare in fase di progettazione.
Per questo motivo, in genere, si cerca di ridurre la Migrazione del Centro di Rollio al minimo ed è possibile dimostrare (la trattazione completa dell'argomento va ben'oltre l'obiettivo di quest'articolo) che un metodo efficace per farlo è quello di sfalsare la posizione trasversale degli attacchi scocca, facendo si che gli attacchi superiori siano più spostati verso l'esterno rispetto a quelli inferiori.  Uno sfalsamento che va anche incontro al metodo "dei trapezi" per aumentare il recupero di Camber e che quindi è in genere ben accetto anche a costo di scendere a qualche compromesso in termini di packaging e forma della scocca.

A quest'ultima considerazione teorica direi che ci possiamo agganciare per cominciare ad osservare qualche applicazione reale di questi principii. 

In questa foto ad esempio sono visibili le rientranze nella parte inferiore scocca che vanno proprio a realizzare quello sfalsamento tra bracci inferiori e superiori necessario a limitare la migrazione del centro di rollio.  Come suggerisce il fatto che questa foto non sia poi così recente, questa soluzione è quella attualmente più gettonata e usata da molti team per quanto riguarda la sospensione anteriore..  Molti, ma non tutti.  Chi in questi test mi ha davvero colpito in termini di geometria delle sospensioni anteriori è stata la Red Bull che si è presentata con una soluzione di questo tipo: 

Se ingrandisci l'immagine e osservi l'attacco scocca del braccio superiore della sospensione anteriore, noterai un'evidente curvatura e una differente colorazione (si vede bene sulla sospensione anteriore sinistra) tra la parte orizzontale attaccata alla scocca e quella più inclinata. Se hai seguito il discorso che ho fatto sin'ora, avrai capito che il braccetto della sospensione è in realtà la sola parte inclinata, mentre la parte orizzontale non è altro che un prolungamento della scocca votato a creare lo sfalsamento necessario alla riduzione della migrazione del centro di rollio. (Il modo in cui vengono realizzati i giunti tra braccetti e telaio in F1 è piuttosto particolare e innovativo e magari in futuro ci farò un approfondimento..  In quest'articolo però di teoria credo ce ne sia già abbastanza quindi sarà per un'altra volta 😜) Uno studio a parte poi, lo meriterebbero gli effetti aerodinamici di questa protuberanza che in quella zona potrebbe deviare i flussi in modo piuttosto importante..  Ma sapere come, almeno per il momento, va al di là di quanto possa fare uno studente universitario che guarda questa foto e cerca di farsi un'idea quale sono io. 😅
Ciò che posso pensare, però, è che questo sia un bel modo di far lavorare insieme il telaio e l'aerodinamica, una cosa che davvero mi ha colpito.
Ferrari ad esempio utilizza una configurazione decisamente più convenzionale all'anteriore..   

Altra soluzione ad avermi colpito, per quanto riguarda le sospensioni anteriori (e c'è da dire che non è nuova, lo stesso costruttore usava già una soluzione simile sull'auto dell'anno scorso) è quella usata da Mercedes:

Se osservi l'attacco ruota del triangolo superiore, noterai che il montante si prolunga al di fuori dell'area del cerchio andando a "pescare" l'attacco della sospensione più in alto rispetto ai suoi diretti competitors. Questo consente di avere un angolo maggiore tra il triangolo superiore e quello inferiore che si traduce in un centro di istantanea rotazione più vicino al piano di simmetria dell'auto, ovvero più recupero di camber. 
Se tutto questo fosse vero porterebbe, seguendo i ragionamenti teorici che abbiamo visto prima, ad una migliore gestione delle temperature e dell'usura delle gomme anteriori rispetto, ad esempio, a Ferrari...  

Ma andiamo avanti guardando adesso qualche soluzione per la sospensione posteriore, partendo proprio dai Campioni del Mondo in carica..

Anche qui il montante si prolunga a prendere gli attacchi del triangolo superiore più in alto rispetto all'area dei cerchi. Il braccio inferiore si intravede con la sua forma sagomata a seguire senza interferire i profili aerodinamici del diffusore.  I 2 bracci sono quasi paralleli e di lunghezze piuttosto simili tra loro.. 
Tutti fattori che suggerirebbero una cattiva gestione delle gomme posteriori..  Suona familiare? 😏

In questo ambito la Rossa più amata d'Italia si rifà decisamente.. 

L'attacco superiore al montante qui si protende verso la scocca andando ad accorciare di molto il braccio superiore che, peraltro, appare decisamente più "puntato" verso il basso guardando dalla ruota verso la scocca.  Anche qui il braccio inferiore si intravede, ma appare quasi del tutto orizzontale. Una geometria che suggerisce un maggior recupero di camber e quindi un comportamento della sospensione che, necessitando di un minor angolo di camber statico, si dimostrerebbe più docile sugli pneumatici rispetto alla soluzione Mercedes..  
Anche questo suona familiare..  e da parecchi anni direi! 

Ad estremizzare questo concetto con una soluzione del tutto inedita, però, sembrerebbe essere stata la McLaren:

Il montante qui sembra protendersi sino a superare il pilone dell'ala posteriore (sin dove attacca il tirante del pullrod per capirci), ma su questo non mi sentirei di metterci la mano sul fuoco..  E' anche possibile che i braccetti si colleghino al montante in corrispondenza del cambio di colorazione che si vede molto più vicino alla ruota e che abbiano spostato l'attacco del pull-rod solo per avere flussi aerodinamici più puliti in quella zona. Se però fosse valida la prima ipotesi, il braccio superiore sarebbe così molto più corto di quello inferiore e questo fa pensare ad un'applicazione molto spinta del metodo "dei trapezi" per il recupero di camber.  I bracci però appaiono quasi paralleli e puntati verso l'alto a suggerire un centro di rollio posizionato leggermente più in alto a cercare una maggiore reattività al posteriore. 

Chi però sembra dimostrarsi davvero aggressivo nel posizionamento del centro di rollio anche in questo caso è la RB:

Lunghezze dei bracci simili a Mercedes, ma con un angolo di incidenza decisamente maggiore realizzato, contrariamente a Ferrari, inclinando verso l'alto i bracci inferiori. I bracci superiori anch'essi inclinati leggermente verso l'alto suggeriscono un posizionamento del centro di rollio decisamente alto che porterebbe ad un comportamento del posteriore molto scattante e ad un rollio limitato.  Una soluzione che, a mio modesto parere, più che cercare una buona cinematica della sospensione, cerca un comportamento rigido che limitando il rollio stabilizzi l'altezza da terra del diffusore..  Qui però siamo nel campo delle ipotesi spinte perciò mi fermo qui. 😉

Proviamo a ricapitolare: 

Dopo un breve ripasso teorico sul significato di Recupero di Camber e Camber statico, ci siamo soffermati sullo schema sospensivo tipico delle monoposto in stile Formula (il Quadrilatero Basso) e su come la geometria delle sospensioni influenzi il recupero di camber delle stesse. 
Poi ti ho introdotto il concetto di Centro di Rollio sottolineando l'importanza del suo posizionamento e citando il fenomeno della Migrazione del Centro di Rollio. 

Finito il pippone teorico, ho provato a utilizzare queste nozioni per presentarti la mia interpretazione di alcune soluzioni viste negli ultimi test di F1 a Barcellona: 
Dalle soluzioni aggressive e particolari di Red Bull, alle scelte tecniche che da anni caratterizzano in modo diverso gli schemi sospensivi di quelli che sono stati gli indiscussi protagonisti del Mondiale 2017, passando per le soluzioni (forse?) inedite di McLaren.

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Noi ci vediamo al prossimo articolo e.. 
Buona stagione motoristica a tutti!  😃 

Ps. 
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