Rubrica: Telemetria

Titolo o argomento: Analisi delle prestazioni del differenziale aperto/autobloccante nelle più severe condizioni

Nell’immagine in basso vediamo una schermata divisa in due parti: in alto viene visualizzata la velocità di rotazione della ruota motrice sinistra (esterna alla curva) e, in basso, viene visualizzata la velocità di rotazione della ruota motrice destra (interna alla curva). Lateralmente è possibile osservare la legenda (il grafico in blu fa riferimento alla vettura a trazione posteriore dotata di differenziale autobloccante tarato al 25% in potenza e con un precarico di 290Nm, mentre il grafico in verde fa riferimento allo stesso veicolo dotato però di differenziale aperto) e la mappa del punto in cui si trova il veicolo rispetto all’intero tracciato e rispetto alla curva che sta percorrendo.

La vettura si trova nella fase in cui il pilota inizia ad agire sul gas per proiettarsi fuori dalla curva. Gli effetti del rollio e del trasferimento di carico laterale della vettura sono ancora evidenti, infatti la ruota motrice interna alla curva ha un carico insufficiente ed inizia a pattinare.

Sul differenziale aperto questo pattinamento causa un’interruzione di coppia motrice anche sulla ruota esterna alla curva (vedi l’articolo sui differenziali aperti). In una fase così delicata questo fenomeno comporta un pericoloso squilibrio del mezzo. La telemetria rileva perfettamente il fenomeno e lo ripropone sotto forma di grafico (in verde) ove sono evidenziati 4 picchi irregolari di velocità di rotazione della ruota motrice interna alla curva e, al contrario, valori bassissimi di velocità di rotazione della ruota esterna alla curva la quale non è in grado di trasmettere coppia motrice se non nei brevi intervalli in cui la ruota motrice interna alla curva recupera un minimo di aderenza per poi riperderla.

Sul differenziale autobloccante (grafico in blu) il bloccaggio in potenza al 25% è già sufficiente ad eliminare i notevoli picchi di velocità di rotazione della ruota interna alla curva (questo può farci trarre diverse altre conclusioni sul resto dell’assetto del veicolo ma queste verranno omesse per semplicità). Essendo rimasto tutto l’assetto invariato (eccezion fatta per il differenziale), sulla ruota motrice interna alla curva il carico è il medesimo del precedente esempio, tuttavia tale ruota slitta decisamente meno e la ruota motrice esterna alla curva è così in grado di trasmettere una maggiore coppia motrice che si traduce anche in una maggiore velocità di rotazione e maggiore equilibrio della vettura. Questa maggiore velocità di rotazione, della ruota motrice esterna alla curva, si evince soprattutto laddove (nel riquadro in alto dell’immagine) il grafico in blu sovrasta il grafico in verde.

L’adozione di un differenziale autobloccante (in questo caso tarato con bloccaggio in potenza al 25% e 290Nm di precarico) permette pertanto di ridurre la perdita di tempo che si ha nell’affrontare l’uscita di curva con le ruote motrici che non sono in grado di trasmettere la coppia necessaria. Difficilmente troverete un’automobile a trazione posteriore che non sia dotata di differenziale autobloccante. L’esempio del differenziale aperto non è quindi da attribuirsi a casi reali ma ben chiarifica comportamenti interessanti da osservare.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

Clicca per ingrandire

Condividi

Rubrica: I padroni della coppia

Titolo o argomento: Forze agenti sui mozzi di ancoraggio di un differenziale autobloccante

La coppia trasmessa dal pignone conico alla corona conica (e quindi al differenziale), viene poi trasmessa ai mozzi di ancoraggio (o anelli di pressione) tramite quattro scanalature in cui sono alloggiati gli alberini portasatellite (vedi l’articolo esplicativo: Come funziona un differenziale autobloccante). Questo provoca la rotazione della scatola del differenziale e dei mozzi di ancoraggio (o anelli di pressione) in modo solidale.

La coppia è ulteriormente trasmessa dai mozzi di ancoraggio (o anelli di pressione) agli alberini portasatellite. Questi hanno un profilo con taglio a V complementare alle rampe presenti sui mozzi di ancoraggio. Il contatto tra l’albero portasatellite ed i mozzi di ancoraggio (o anelli di pressione) genera la forza F che si oppone alla direzione di rotazione (vedi immagine). Si genera inoltre un carico P (pari al prodotto della forza F per la cotangente dell’angolo teta, ovvero: P=F·cotθ) in direzione assiale che viene applicato sulla rampa del mozzo di ancoraggio. Tale carico aziona la frizione a lamelle e quest’ultima ha il compito di rendere limitata la differenza di rotazione dei due semiassi e quindi delle due ruote.

La forza F è trasmessa attraverso il satellite al planetario come in un normale differenziale aperto, mentre la forza (o carico) P aziona la frizione multidisco. Questo carico genera l’attrito tra i dischi condotti, i dischi conduttori ed i dischi frizione.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

Condividi

Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Carico trasversale di un pneumatico o Cornering stiffness

Il carico verticale che agisce su un pneumatico è in stretta relazione con la deriva del pneumatico stesso (articolo “Deriva di un pneumatico”), il rapporto che ne scaturisce si chiama “Carico trasversale disponibile” o “Cornering stiffness”. Esso può essere rappresentato su un piano cartesiano nel quale possono essere distinti tre particolari settori. Inizialmente il rapporto tra carico verticale e angolo di deriva è costante ovvero quando aumenta il carico verticale, aumenta in maniera proporzionale anche l’angolo di deriva. Passato un determinato limite, invece, la retta del “carico trasversale” si trasforma in una curva dove si evince che con lievi variazioni di “carico” si verificano importanti variazioni di “angolo di deriva”. Nell’ultimo tratto tale curva si interrompe bruscamente, questo ad indicare che il pneumatico ha perso aderenza, sta slittando ed il carico non è sufficiente per il recupero del grip.

Questi tre settori evidenziati differiscono a seconda che ci troviamo davanti ad un pneumatico stradale normale, ad un pneumatico sportivo ad elevate prestazioni o ad un pneumatico slick puramente da pista. Nel pneumatico stradale la perdita di aderenza si raggiunge con gradualità rendendo la guida intuitiva anche ai neofiti. Un pneumatico ad alte prestazioni è in grado di raggiungere un carico trasversale superiore con un deriva leggermente inferiore rispetto ad un pneumatico normale. Infine un pneumatico slick vanta la possibilità di raggiungere un carico trasversale piuttosto importante con una crescita costante e con una deriva piuttosto limitata ma con lo svantaggio che la perdita di aderenza avviene in modo netto e senza alcun preavviso. Una sorta di on-off difficile da digerire.

Condividi

Rubrica: Il setup che fa impazzire -  livello medio

Titolo o argomento: Effetti della regolazione delle molle nella realtà e su un simulatore

La regolazione del precarico implica una variazione di altezza del veicolo? E la variazione della rigidezza (carico)? Se desiderate ottenere subito una risposta a queste domande, ebbene le risposte sono: sì, la regolazione del precarico implica una variazione di altezza del veicolo. No la regolazione della rigidezza (carico) non implica una variazione di altezza del veicolo nella realtà ma solo su taluni simulatori di guida per la semplificazione di alcuni modelli fisici/matematici.  Se desiderate sapere il perchè potete proseguire nella lettura.

Iniziamo da una frequente convinzione errata: non è vero che variando il precarico di una molla  non deve variare l’altezza della vettura/moto. Non è altrettanto vero che variando il precarico si vari il carico della molla. Carico e precarico sono due cose distinte.

Il carico della molla dipende dal diametro della stessa, dal diametro del filo con cui è realizzata la spirale, dal numero di spire di cui è costituita la molla e, ovviamente, dal materiale con cui è realizzata.

Il precarico non dipende dai fattori appena citati mentre, come dice la parola stessa, indica di quanto avete pre-caricato in condizioni iniziali la vostra molla. Ovvero quanto del carico che può reggere la molla è stato già applicato su di essa.

Se abbiamo ad esempio una molla con un carico (o rigidezza) di 100 kg/cm e se su di essa facciamo gravare una massa di 100 kg, tale molla si abbasserà di 1 cm. Se facciamo gravare su di essa una massa di 200 kg, tale molla si abbasserà di 2 cm e così via fino alla completa compressione e inefficacia del dispositivo.

Nel caso in cui l’ammortizzatore in questione sia dotato di ghiera di regolazione del precarico, noi possiamo agire sulla suddetta ghiera avvitandola verso la molla. Se comprimiamo la molla di 1 cm della sua lunghezza, con una taratura di 100kg/cm, avremo 100 kg di precarico. L’ammortizzatore tenderà ed estendersi (e quindi il veicolo tenderà a sollevarsi).

Se un veicolo (dotato di ammortizzatori con carico da 100 kg/cm) ad esempio ha una massa di 400 Kg e scarica ipoteticamente 100 kg esatti per ogni ruota allora, in condizioni normali, una volta tirato giù dal ponte dell’officina e appoggiato a terra, si abbasserà di 1 cm. Se invece i suoi ammortizzatori sono regolati con un precarico di 100 kg, quando questo verrà appoggiato a terra non si abbasserà del centimetro in questione ma, in condizioni statiche, manterrà lo stesso assetto che possiede da sollevato. Ciò perchè la molla non riceve una spinta tale da comprimerla e non deve quindi assorbire nulla. La forza di contatto passa quindi in modo diretto dal telaio al suolo e dal suolo al telaio senza che la molla faccia una piega. Diverso invece sarà il discorso (per ovvi motivi) nel momento in cui il veicolo inizierà a muoversi e a subire urti provenienti dalle irregolarità dell’asfalto o nel caso in cui semplicemente salga a bordo un pilota o venga fatto il pieno di carburante…

Ma sui simulatori…

Talvolta ci si chiede: “Allora come mai sui simulatori di guida commerciali (basati su una fisica tutto sommato vicina alla realtà) variando il carico degli ammortizzatori (e non il precarico) varia l’altezza della vettura simulata?” Ebbene il simulatore si limita a fornire risposte matematiche agli imput inseriti. Se su un dato veicolo di massa pari (ad esempio) a 1000 kg sono montati 4 ammortizzatori con 4 molle di un dato carico, variando il valore del carico, il simulatore non riprogetterà l’intera molla (diametri, spire, materiali, ecc…) ma si limiterà ad offrire una risposta matematica delle reazioni che si oppongono al peso del veicolo. Ne viene da sé che se si hanno inizialmente 4 molle da 250 kg/cm il veicolo (di massa pari a 1000 kg) si abbasserà di un centimentro ma se aumentiamo sul simulatore la taratura delle suddette molle il veicolo tenderà a sollevarsi perchè matematicamente occorre una massa maggiore per comprimere molle di un carico (o rigidezza) maggiore.

Mentre sui simulatori ogni parametro è regolabile con dei cursori, nella realtà possiamo regolare  in modo analogico: precarico, frenatura in compressione e frenatura in estensione. Per il carico delle molle, invece, siamo costretti a smontare l’ammortizzatore ed a sostituire la molla in uso con un’altra di diverso carico (o rigidezza). Questo implica che si può ordinare ad una azienda una molla che abbia una determinata lunghezza, numero di spire, diametro del corpo, diametro del filo, materiale…

In conclusione se quello che cerchiamo è solo la regolazione dell’altezza, si agisce solitamente sul precarico mentre se quello che cerchiamo è una diversa resa della molla si agisce sul carico e si variano quindi i parametri della molla sopra indicati.

Avvitando la ghiera (C) verso la molla, l’interasse (AB) aumenta

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

Condividi

Rubrica: Il setup che fa impazzire - livello base

Titolo o argomento: Effeti del totale bloccaggio del differenziale o della sua assenza

Quando guidiamo un kart, abbiamo l’assale posteriore rigido. Questo significa che per inserire il mezzo in curva alle basse velocità dobbiamo impostare la traiettoria molto vivacemente agendo sul volante con dei colpetti. Ciò fa sì che il kart abbia quel leggero sovrasterzo che, con minor fatica, lo fa inserire. Inoltre è evidente come da fermo, durante le piccole manovre a spinta, si opponga assolutamente a percorrere leggere curve per parcheggiarlo ad esempio. Al contrario, alle alte velocità, il rapporto tra l’inserimento di un kart e la sua stabilità è più che ottimo anche se la ruota interna alla curva è forzatamente obbligata a girare di più di quanto dovrebbe. Entrambe le ruote posteriori hanno la stessa coppia motrice, entrambe girano allo stesso numero di giri ed entrambe lavorano allo stesso modo durante l’inserimento del kart nella curva. La ruota interna alla curva però si oppone all’inserimento del mezzo e tenta di far allargare la traiettoria al veicolo. D’altro canto se una ruota si solleva da terra, l’altra, continua a trasmettere la massima coppia motrice a terra. Ma perchè? Come abbiamo detto l’assale posteriore è rigido e quindi privo di differenziale.

Vi è la possibilità di raggiungere bloccaggi del 100% anche su normali (si fa per dire) automobili sportive mediante l’adozione di particolari autobloccanti muniti di un comando (talvolta idraulico, talvolta pneumatico, talvolta puramente meccanico) il quale permette, una volta fermato il veicolo, di bloccare il differenziale. In alternativa vi sono appositi differenziali bloccati atti a sostituire gli originali (vedi figura). Tale obiettivo viene inseguito prevalentemente in casi quali particolari gare in salita, autocross, o nella sempre più nota specialità del drifting.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

Condividi

Rubrica: Assetto da neve

Titolo o argomento: Sulla neve meglio gomme larghe o strette?

Solitamente si tende a pensare che un pneumatico più largo sia “sempre” migliore e quindi in ogni condizione, in ogni situazione. Non è esattamente così. I pneumatici con un’elevata area di contatto a terra hanno diversi svantaggi: aumentano i consumi di carburante, tendono al galleggiano sull’acqua (favoriscono cioè l’acquaplaning) e sono assolutamente inadatti sulla neve. Certo molti inconvenienti si sono ovviati con l’ausilio dell’elettronica ma rimanendo sul lato fisico del discorso è facile dimostrare quanto segue:

Ammettiamo di avere a disposizione un’utilitaria con una massa di 960 kg la quale scarica a terra ipoteticamente 500 kg all’avantreno (ovvero 250 kg per ruota, circa 2500 Newton) e 460 kg al retrotreno (ovvero 230 kg per ruota, circa 2300 Newton).

Ammettiamo che la superficie di contatto a terra di ogni pneumatico di tale utilitaria sia di 20 cm² (ovvero 2000 mm²).

La pressione “P” di contatto tra il pneumatico anteriore (ad esempio) e l’asfalto vale:

P = Forza/Area = (N/mm²) = 2500 N / 2000 mm² = 1,25 N/mm²

Se invece il pneumatico in questione avesse un’area di contatto a terra doppia e quindi di 40 cm² (ovvero 4000 mm²) la pressione varrebbe:

P = Forza/Area = (N/mm²) = 2500 N / 4000 mm² = 0,625 N/mm²

Viene da sé, ed è facile immaginare, come un veicolo con pneumatici più larghi, su bagnato o neve, perda più facilmente il contatto a terra rispetto ad un veicolo di pari massa che monta pneumatici più stretti. Non a caso le vetture da rally, quando sono settate per la neve, montano pneumatici di larghezza pari a circa la metà di quelli adottati sui tracciati d’asfalto.

In assetto da neve una vettura da rally monta gomme larghe circa la metà di quelle da asfalto

Condividi

Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Deriva o Slip angle di un pneumatico

Durante la percorrenza di una curva l’impronta a terra del pneumatico ha una direzione differente rispetto a quella del pneumatico. Questo angolo che si viene a creare tra le due direzioni è chiamato deriva o, in inglese, slip angle.

Questo angolo è di fondamentale importanza per l’intuitività della guida. Se non vi fosse alcun angolo di deriva, ed il pneumatico fosse totalmente rigido, sarebbe impossibile per un guidatore (ma anche per un pilota) prevedere il comportamento di un veicolo. Si passerebbe repentinamente da una situazione di guidabilità ad una di completa inguidabilità del veicolo con improvvise e pericolosissime perdite di aderenza. Affrontare una curva sarebbe impossibile.

Un pneumatico stradale raggiunge angoli di deriva pari a 7-8 gradi. Un pneumatico racing raggiunge angoli più ridotti nell’ordine dei 2-3 gradi.

Le torsioni che avvengono sulla carcassa del pneumatico permettono al guidatore di intuire in anticipo una situazione di perdita di aderenza.

Condividi

Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Proprietà che caratterizzano i pneumatici

In ambito tecnico vi sono tre particolari parametri che influenzano fortemente il comportamento dinamico di un veicolo. Li riportiamo di seguito in maniera semplificata come anticipazione dei futuri argomenti che tratteremo in questa rubrica.

Aderenza

L’aderenza è quella proprietà che garantisce al pneumatico il contatto “di tipo tangenziale” con il suolo. Questo significa che alle azioni tangenziali provenienti dall’automobile si oppone l’aderenza dei pneumatici.

Elasticità

Vi è l’elasticità verticale che permette al pneumatico di assorbire e trasmettere a terra le azioni verticali provenienti dalla vettura. L’elasticità longitudinale la quale determina il fenomeno dello scorrimenti. L’elasticità trasversale che determina il noto femonemo della deriva.

Isteresi

L’isteresi, o imperfetta elasticità del pneumatico, è una proprietà tipica del materiale gomma la quale provoca una dissipazione di energia da parte del penumatico stesso che si traduce in una resistenza al rotolamento.

Sezione di un pneumatico stradale: 1. Fodera interna in gomma sintetica (sostituisce la camera d’aria). 2. Maglia di fibre necessarie per resistere alla pressione. 3. Zona dove il pneumatico impugna il cerchio ovvero dove si trasmettono le forze di trazione e frenata. 4. Cavi che mantengono il pneumatico in contatto con il cerchio (resistono ad uno sforzo di 1800 kg senza rompersi). 5. Pareti laterali in gomma morbida atte a proteggere la struttura interna del pneumatico dagli urti che potrebbero danneggiarlo. 6. Strati di rinforzo in acciaio racchiusi tra due strati di gomma ad alta resistenza. 7. Strati di sicurezza composti da cavi in nylon che permettono al pneumatico di mantenere la sua forma alle alte velocità. 8. Battistrada, deve assorbire le asperità della strada scaldandosi il meno possibile per mantenere così una lunga durata. Tutte le parti appena elencate vengono vulcanizzate insieme al fine di ottenere il pneumatico che noi tutti conosciamo.

Condividi

Rubrica: Il setup che fa impazzire - livello base

Titolo o argomento: Il differenziale elettronico

Soluzione base

In principio su alcune piccole utilitarie venne installato un sistema composto da differenziale aperto e sensori di velocità ruota. Tale soluzione, che non è da considerarsi più raffinata di un autobloccante, in realtà non fa altro che utilizzare le pinze freno in modo indipendente per frenare l’una o l’altra ruota motrice a seconda delle esigenze. Nel momento in cui una ruota perde aderenza, quest’ultima viene frenata in modo tale da riprendere aderenza e da permettere all’altra ruota motrice di trasmettere nuovamente “coppia motrice a terra”. Nel differenziale aperto infatti, se una delle due ruote motrici perde aderenza, l’altra si ferma creando possibili situazioni pericolose ad esempio su fondi bagnati o sconnessi. Pertanto frenando la ruota che non ha grip si permette all’altra di continuare a trasmettere trazione anziché fermarsi. La soluzione di base del differenziale elettronico è molto più economica di un autobloccante.

Soluzione E-Diff di Ferrari

Si tratta di un differenziale “autobloccante elettronico”, il bloccaggio non avviene secondo una percentuale predeterminata, bensì progressivamente. Si può persino arrivare al limite del 100% di bloccaggio. Il bloccaggio parziale o totale del differenziale avviene tramite attuatori elettroidraulici controllati da una centralina elettronica. Quest’ultima, sulla base delle informazioni ricevute dai sensori motore, sensori cambio, sensori sterzo, sensori freni, decide quando, e quanto, bloccare il differenziale. Tutto ciò permette di ottenere e garantire una maggiore motricità in fase di accelerazione, nonché una elevata precisione, stabilità e maneggevolezza in ingresso curva. Ed è proprio all’ingresso delle curve più tecniche che il differenziale viene completamente bloccato conferendo al retrotreno la massima stabilità. Nel momento in cui poi si allegerisce la pressione sul pedale del freno e si gira lo sterzo, il differenziale si apre gradualmente per limitare il sottosterzo e facilitare l’inserimento in curva. Quindi si riblocca parzialmente in modo da stabilizzare l’assetto. Infine, dal punto di corda, ossia dal punto in cui si ricomincia ad aprire il gas, il differenziale E-diff si riapre tutto e si mantiene pronto a chiudersi nuovamente qualora la ruota interna iniziasse a pattinare sull’asfalto.

Dynamic performance control di BMW

Immaginate di stare in canoa. Se mentre si naviga seguendo la corrente principale si intende girare a destra, si può frenare con la pagaia sulla parte destra. Questa è la procedura più usata dalla maggior parte dei programmi stabilizzatori elettronici. In alternativa, la pagaia può essere affondata con decisione a sinistra in modo da fare procedere la canoa in avanti e verso destra. Ecco spiegato il principio del Dynamic Performance Control. Esso consiste in un particolare differenziale sull’asse posteriore combinato con due riduttori epicicloidali e due freni lamellari a controllo elettronico. Questo sistema meccatronico unisce informatica, elettronica e meccanica. È in grado di elaborare dati complessi quali l’imbardata, la velocità della ruota, l’angolo di sterzata e la coppia motore reagendo in maniera mirata: se necessario uno di questi riduttori viene inserito nella catena cinematica attraverso i freni lamellari, distribuendo la coppia in maniera variabile e continua sulle ruote posteriori. Su richiesta questa distribuzione viene visualizzata dal computer di bordo. Il Dynamic Performance Control aumenta la tenuta di strada nelle accelerazioni in curva e assiste il conducente anche in caso di situazioni critiche come ad esempio doppi cambi di carreggiata. Prima della tendenza al sottosterzo o al sovrasterzo, la vettura viene mantenuta in carreggiata dalla ruota con il maggiore controllo laterale. La risposta più diretta dello sterzo aumenta sensibilmente comfort e sicurezza. Il differenziale elettronico di BMW è efficace anche in fase di decelerazione, quando il conducente toglie il piede dall’acceleratore e la vettura percorre una discesa con la frizione disinserita. Se le ruote posteriori si trovano su fondi con grip diverso, il Dynamic Performance Control migliora la trazione, fornendo una coppia maggiore alla ruota che presenta migliore aderenza. La differenza di coppia teorica massima tra la ruota posteriore sinistra e quella destra ammonta a 1.800 Nm. Questo apporta notevoli benefici alla stabilità del veicolo e alla trazione.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

Condividi