Spesso si sente dire, parlando di un'auto, che sia una F1 o anche solo una sportiva come un'Alfa 4C: "Quell'auto ha un ottimo telaio!"
Un espressione che, di solito, viene utilizzata per esprimere qualità dal punto di vista dell'Handling e della dinamica laterale e che si contrappone al concetto di "Gran motore!" per definire la prestazione in termini di accelerazione e velocità di punta.
Il significato di questa frase, però, è tutt'altro che univoco.
Se in un go-kart si possono chiaramente distinguere motore, telaio e carene, identificando il telaio come principale responsabile delle performance laterali del kart; in un'auto odierna il concetto di telaio, o chassis, ha confini decisamente più sfocati e non si riferisce a nulla di fisicamente separabile dal resto dell'auto.
Come ti dicevo in questo articolo, attualmente con il termine Telaio si fa riferimento all'insieme di Scocca e Chassis; dove la prima rappresenta il corpo vettura, mentre il secondo fa riferimento all'insieme di componenti che collegano il corpo vettura all'asfalto e quindi ruote, sospensioni, sterzo e sistema frenante, ma anche ai sistemi di controllo attivi come ABS, ESP, Torque Vectoring e via discorrendo.
Dire che un'auto ha un gran telaio per dire che sostanzialmente va forte in curva, perciò, a livello tecnico vuol dire tutto e non vuol dire niente. 😅
In FR Tecnica, come puoi personalmente verificare dando un'occhiata alla sezione dedicata, di Chassis si parla spesso, in questo articolo però ci concentreremo sull'altra faccia del telaio: la Scocca.
Agli albori dell'automobile, più che di scocca, si parlava di due elementi fisici distinti: il telaio (che in questo caso non è quello di cui parlavamo prima, ma un elemento fisico ben distinguibile) e la carrozzeria. La differenza sostanziale sta nella funzione, il telaio infatti è l'insieme di tutti gli elementi sospesi che hanno la funzione strutturale di trasmettere le forze che l'auto scambia con l'asfalto interconnettendo fra loro le forze trasmesse dalle sospensioni; fanno parte della carrozzeria, invece, tutti gli elementi che ricoprono funzioni estetiche o aerodinamiche.
Questa struttura di base era ereditata dalle carrozze e fino a 50, 60 anni fa, infatti, non era insolito sentire che un carrozziere acquistasse un telaio e lo ricarrozzasse producendo in casa una carrozzeria.
Nota importante: In questo caso nella carrozzeria è incluso anche l'abitacolo, mentre il telaio può essere considerato a tutti gli effetti parte dello chassis. Questa soluzione non è più utilizzata per le auto stradali, ma trova ancora applicazione in molti veicoli commerciali e nei fuoristrada purosangue.
Le ragioni che hanno reso la soluzione BODY-on-FRAME desueta per le auto destinate al mercato di massa sono le stesse che la rendono tutt'ora conveniente per fuoristrada e mezzi pesanti:
1) Il corpo vettura risulta meno rigido e più deformabile; il che da un lato si traduce in un migliore isolamento dalle vibrazioni trasmesse dalla strada (ideale per il comfort che in un veicolo industriale assume non poca importanza), dall'altro può rappresentare un vantaggio in condizioni di pesante off-road.La scarsa rigidezza torsionale si rivela però essere tutt'altro che un vantaggio per la dinamica laterale di un'auto stradale.
2) Il telaio è composto da travi estruse che vengono prodotte separatamente e saldate successivamente. Il che rende questo tipo di telai da un lato molto modulabili e poco costosi per un piccolo volume di produzione, dall'altro molto più costosi per la produzione di massa rispetto alla soluzione che ha praticamente monopolizzato il mercato di massa dell'auto, ovvero...
La SCOCCA STRUTTURALE (Uni-Body):
Il concetto base di questo tipo di soluzione sta nella soppressione del telaio in favore di un'unica struttura portante che è sia corpo vettura, abitacolo e base per la carrozzeria, sia componente strutturale attraverso cui le sospensioni scambiano tra loro le forze trasmesse dall'asfalto.
Il primo a mettere su strada questo concetto innovativo fu Vincenzo Lancia nel 1922 con la Lancia Lambda.
L'adozione di questa soluzione permise alla Lambda, malgrado le performance motoristiche non fossero tra le migliori, di distinguersi nettamente dalle auto della stessa categoria.
L'eliminazione del telaio, infatti, consentì di ridurre la massa complessiva in modo importante e di abbassare notevolmente il centro di gravità dell'auto; in più, dato che l'intero corpo vettura lavorava in modo strutturale, anche la rigidezza torsionale era superiore, un aspetto di fondamentale importanza per la dinamica laterale del veicolo.
L'applicazione poi di sospensioni indipendenti a montante telescopico all'anteriore (se vogliamo le antenate dell'attuale schema McPherson), unita alla telaistica innovativa, portarono la tenuta di strada della Lambda ad un livello nettamente superiore a quello delle sue concorrenti. Per questo motivo quest'auto trovò utilizzo in diverse competizioni e fu particolarmente longeva.
Questa parentesi storica, oltre ad essere doverosa, ci introduce a quelli che sono i motivi che hanno reso questa soluzione un must per la maggior parte delle auto che percorrono oggi le nostre strade:
1) Meno peso.
2) Centro di gravità più basso.
3) Maggiore rigidezza torsionale.
Come ti accennavo prima, a questi aspetti prestazionali va poi aggiunta un'ulteriore caratteristica:
4) Costi più bassi per la produzione di massa.
La struttura dell'auto è infatti composta da meno componenti, principalmente lamierati stampati e saldati tra loro. Questo consente come detto, non solo di ridurre il peso complessivo dell'auto, ma anche, in generale, di ridurre i costi di produzione.
Andiamo però nel dettaglio di quella che è la struttura di base della scocca. In quasi tutte le auto che presentano una soluzione uni-body è possibile identificare alcuni elementi portanti fondamentali:
Nell'immagine sopra ho cercato di identificare gli elementi principali della struttura di una scocca:
1) I longheroni: Percorrono l'auto per la sua intera lunghezza, la loro integrità strutturale è di fondamentale importanza quando si parla di sicurezza passiva.
2) Le barre trasversali (cross-beams): Assieme ai longheroni formano l'ossatura dell'auto determinandone gran parte della rigidezza torsionale. Ricoprono anche una fondamentale importanza in caso di impatto laterale. Tra queste si possono identificare quelle associate ai paraurti, le quali alla funzione torsionale aggiungono quella di chiudere la struttura autoveicolo facendo da ossatura ai paraurti, e il firewall: un lamierato che ricopre anche la funzione di separare l'abitacolo dal comparto motore.
3) Gli anelli porta, infine, sono l'intelaiatura delle portiere e la base della struttura del tetto; anch'essi ricoprono un ruolo fondamentale in caso di impatto laterale, in particolare per quanto riguarda l'integrità strutturale dell'abitacolo.
A questi elementi base, poi si aggiungono altri elementi che potremmo definire di "rinforzo locale" :
Partendo dall'anteriore, si possono osservare 2 piccole barre longitudinali aggiuntive la cui funzione principale è quella di trasmettere alla scocca i carichi derivanti dalla sospensione. Saldate a queste ultime infatti, troviamo in genere un lamierato denominato torre sospensiva in cima al quale troviamo il duomo della sospensione anteriore. Le due barre longitudinali frontali-superiori ricoprono anche un ruolo importante nella modulazione delle accelerazioni longitudinali in caso di impatto frontale.
[La sicurezza passiva è un argomento piuttosto vasto, probabilmente ne parleremo meglio in un articolo dedicato 😉]
Parallela al firewall, poi, troviamo un'ulteriore barra trasversale che, realizzata normalmente con una sezione aperta nella parte superiore, ospita solitamente le prese aria abitacolo e i motorini dei tergicristalli.
Nella parte posteriore si può osservare un'ulteriore cross-beam a collegare gli anelli porta che è tipica di berline e coupè, ma che non troviamo (per questioni di ingombri) nelle auto con carrozzeria a 2 volumi. Questa constatazione ci porta ad una considerazione importante:
Berline e coupè hanno in genere una rigidezza torsionale maggiore di Hatchback e Station Wagon; se l'ossatura della carrozzeria assume un ruolo strutturale, infatti, la forma della carrozzeria ha ripercussioni dirette sulla qualità dinamica del veicolo.
Un discorso simile si potrebbe fare anche per le auto in versione a 2 o 3 porte, più rigide a livello torsionale rispetto alle stesse in versione 4 o 5 porte grazie alla mancanza di 2 dei 4 anelli porta.
Un discorso a parte si può poi fare per le decappottabili:
Se prima ti dicevo che longheroni e cross-beams contribuiscono per la maggior parte alla rigidezza torsionale dell'auto, è vero che tutta la struttura dell'auto partecipa all'aumento di quest'ultima. E' stato ampiamente verificato che in una moderna scocca un ruolo fondamentale è dato dalla struttura del tetto; persino i vetri (che sono fragili, ma più rigidi dell'acciaio) contribuiscono in modo importante alla rigidezza torsionale della scocca. In una decappottabile questo discorso viene meno.
L'assenza del tetto e, di conseguenza, la non partecipazione del parabrezza alla rigidezza torsionale della scocca rendono necessario un rinforzo strutturale di quest'ultima.
Va da se che elementi strutturali di dimensioni maggiori significano più materiale e di conseguenza più peso. Raramente, infatti, la versione Cabrio di un'auto pesa meno della stessa auto in versione Coupè. Inoltre, malgrado questi interventi di rinforzo, generalmente le performance in termini di rigidezza torsionale della scocca di una decappottabile sono comunque inferiori a quelle che si potrebbero ottenere con una scocca chiusa.
Ma a proposito di coupè e decappottabili...
Se un costruttore sceglie di produrre una sportiva in piccoli volumi di produzione e il prezzo dell'auto comincia a salire, Body-on-frame e Scocca Portante non sono le uniche opzioni per realizzare la struttura portante dell'auto.
Una soluzione che unisce la versatilità e i bassi costi per piccoli volumi di produzione della soluzione body-on-frame ai vantaggi dinamici della scocca portante è...
Il TELAIO TUBOLARE:
In foto il telaio tubolare di una Factory Five Racing GTM.
Questa soluzione si dimostra estremamente versatile dal punto di vista del packaging e del collocamento degli attacchi sospensione. Solitamente realizzato con tubi in acciaio saldati ha anche l'importante vantaggio di facilitare l'impiego di materiali leggeri (alluminio, vetroresina o fibra di carbonio) per la carrozzeria, che in questo caso ha il solo scopo, estetico e al limite aerodinamico, di carenare il veicolo senza assolvere ad alcuna funzione strutturale.
Se questa soluzione ha in comune con la soluzione body-on-frame il basso costo per i piccoli volumi di produzione, condivide con essa anche i costi non vantaggiosi per la produzione di massa.
Tutto questo rende il telaio tubolare la soluzione perfetta per le sportive di fascia medio-alta e per le auto da corsa che vogliono richiamare l'aspetto di modelli di serie senza condividere con essi il telaio. (Nascar e DTM, ad esempio, utilizzano questa soluzione)
Per questo tipo di applicazioni, però, il telaio tubolare non è l'unica possibilità...
MONOSCOCCA:
Spesso confusa con la Scocca Portante, la Monoscocca si differenzia da quest'ultima in quanto assolve integralmente alla funzione strutturale.
Abbiamo visto, infatti, che nella soluzione Uni-Body ci sono alcuni elementi strutturali (longheroni, cross-beams ecc.) che costituiscono la maggior parte della rigidezza torsionale della scocca; una monoscocca, al contrario, partecipa per intero alla rigidezza della struttura del veicolo lavorando, se vogliamo, come un'unica trave che flette e torce a seconda della sollecitazione a cui è sottoposta.
Questa soluzione si sposa particolarmente bene con l'utilizzo di materiali leggeri come l'allumino o la fibra di carbonio e consente, in genere, di ottenere performance superiori con pesi più contenuti; si presta perciò all'utilizzo in auto sportive di alta fascia e in auto da competizione più spinte come prototipi e monoposto.
Ora che la questione comincia a farsi interessante, proviamo a scendere un po' più nel dettaglio vedendo qualche applicazione pratica di questo concetto:
Nelle 2 immagini sopra puoi vedere le soluzioni di monoscocca adottate da 2 auto che potremmo definire dirette concorrenti: la prima è la monoscocca in lega di alluminio utilizzata dalla Lotus Exige, la seconda è quella in fibra di carbonio utilizzata nell'Alfa Romeo 4C.
Come puoi vedere la monoscocca vera e propria è la "vasca" che costituisce l'abitacolo a cui viene poi connessa un'intelaiatura, fatta principalmente per ospitare le parti meccaniche e gli attacchi sospensione, realizzata con dei profili estrusi in tutto simili alla struttura che abbiamo visto parlando di scocca portante. Si possono infatti identificare longheroni e cross-beams.
Se l'utilizzo della fibra di carbonio permette di raggiungere le stesse prestazioni a livello strutturale con un peso notevolmente minore, la struttura dell'intelaiatura di contorno è difficilmente realizzabile con lo stesso materiale e, come nel caso della 4C, viene spesso realizzata con materiali metallici come le leghe di alluminio. Questo pone una complicazione progettuale dovuta all'integrazione di materiali differenti: metalli e compositi reagiscono in modo diverso alle sollecitazioni meccaniche e termiche e questo fenomeno va considerato quando si progettano i punti di giunzione tra componenti di materiali diversi.
E per monoposto e prototipi?
Nell'immagine qui sopra puoi vedere la prima monoscocca in fibra di carbonio della storia dell'auto: quella della McLaren MP4/1.
Anche qui puoi osservare che la struttura in carbonio si sviluppa attorno all'abitacolo e comprende le strutture di assorbimento d'impatto laterali (che fungono anche da alloggiamento per i radiatori), il serbatoio dietro il sedile e gli attacchi scocca e le parti sospese delle sospensioni anteriori.
La grossa differenza rispetto alle soluzioni che abbiamo visto per le auto stradali, però, non è tanto nella scocca in se, ma nelle strutture di contorno, come abbiamo visto nella 4C ad esempio, che nei prototipi sono del tutto assenti. Gli attacchi sospensione anteriori abbiamo già visto che sono direttamente fissati sulla scocca, ma quelli posteriori?
Come ho cercato di renderti visibile in questo schizzo, nelle monoposto, ma anche nei prototipi più recenti, la presenza di una struttura di supporto atta ad ospitare motore, trasmissione e attacchi sospensioni posteriori viene meno del tutto e sono le stesse parti meccaniche ad assumere una funzione strutturale: in dettaglio il blocco motore è fissato alla monoscocca e la scatola del cambio, generalmente realizzata in fibra di carbonio, ospita anche gli attacchi scocca della sospensione posteriore (è questo il motivo, se ci fai caso, per cui in F1 generalmente se si danneggia una sospensione posteriore in un incidente, diventa necessario sostituire anche il cambio) e gli attacchi di ala posteriore e diffusore. Tutto il resto è fissato su questi 3 componenti strutturali.
Qui sotto, ti propongo qualche foto che magari potrebbe esserti utile a visualizzare meglio la cosa:
Visualizzato tutto?
Molto bene!
Anche per oggi direi che abbiamo messo un bel po' di carne sul fuoco.
Come sempre, se l'articolo ti è piaciuto, scrivilo nei commenti o fammelo sapere con un LIKE 👍
Noi ci vediamo al prossimo approfondimento. Ciao 😜
