Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: L’asse di inerzia o meglio la curva che congiunge i baricentri

L’asse longitudinale d’inerzia è quella retta che congiunge i baricentri delle parti anteriori e posteriori del veicolo. In realtà l’asse d’inerzia è una curva congiungente tutti i baricentri delle sezioni elementari, ottenute dividendo il veicolo con una serie di piani verticali ed ortogonali al suo asse longitudinale.  La condizione ideale per la tenuta di strada è la coincidenza dell’asse di rollio  con l’asse di inerzia, condizione assai difficile da realizzare in pratica, per cui durante la progettazione del vicolo si cerca la disposizione più opportuna dei carichi (disposizione che influisce sull’asse d’inerzia) e la miglior scelta sul sistema sospensivo (che influisce sull’asse del rollio) per cercare di avvicinarli il più possibile. La posizione relativa influisce molto dal passaggio da marcia rettilinea a quella di accelerazione e decelerazione in particolare modo in curva. In generale tanto più lontani si trovano i due assi tanto peggiore è il comportamento all’ingresso in curva, inoltre tanto più alto sarà l’asse d’inerzia tanto maggiori saranno i trasferimenti di carico e l’entità dell’angolo di rollio.

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Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Il centro di rollio di un veicolo ed il suo asse

Quando si entra in curva si osserva come, a causa della forza centrifuga le masse subiscono un movimento analogo a quello di un pendolo, con l’unica differenza che il centro di rotazione (centro di rollio) in questo caso si trova più in basso delle masse sospese.

Questo punto virtuale si può determinare graficamente in funzione del tipo di sospensione. La posizione può variare non solo in base al tipo di sospensione adottata all’avantreno o al retrotreno, ma anche dall’escursione di esse. Di solito in un’autovettura gli schemi sospensivi sono diversi fra l’anteriore e il posteriore e quindi la posizione dell’asse di rollio (ovvero la congiungente fra il centro di rollio anteriore e il centro di rollio posteriore) determina l’asse virtuale intorno al quale il veicolo ruota durante il movimento. L’asse è detto virtuale in quanto esso può variare la sua posizione durante le escursioni delle sospensioni, così come variano i rispettivi centri di rollio (anteriore e posteriore).

 Il centro di rollio è di fondamentale interesse per studiare la migliore geometria per lo schema delle sospensioni di una vettura che si sta progettando.

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Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Trasferimento di carico trasversale, il rollio.

Il rollio è il movimento che maggiormente condiziona la tenuta di un veicolo. Il trasferimento di peso può avvenire, infatti, oltre che in senso longitudinale (denominato “beccheggio” - argomento trattato nell’articolo: Trasferimenti di carico parte 3) anche in senso trasversale. Il rollio è il movimento che viene a prodursi in un veicolo dotato di sospensioni il quale,  effettuando una curva, diventa soggetto alla forza centrifuga.

Essa, agendo principalmente sulla massa sospesa del veicolo, lo inclina nel senso opposto a quello del centro della curva. Gli effetti del rollio sono negativi: se si sposta la massa sospesa si modificherà nello spazio la posizione degli ancoraggi (di ruote e sospensioni) e pertanto si modificheranno tutti gli angoli caratteristici (in particolar modo la campanatura). Il risultato è quello di far lavorare le gomme con degli angoli che non sono quelli previsti in fase di progetto.

Un’altra componente negativa legata al rollio della massa sospesa è che, agendo tramite i mezzi elastici presenti nelle sospensioni, si trasferisce il peso dell’auto dalla parte interna sulle ruote esterne alla curva. Questi trasferimenti di carico sono di entità tanto maggiore quanto maggiori sono le forze che li generano, quanto maggiore è il peso del veicolo, quanto più alta è la posizione del baricentro e quanto minore è la larghezza della carreggiata. Di seguito la relazione che esprime il trasferimento di carico trasversale:

F = (a Mh) / L

Dove:
F è il trasferimento di peso trasversale in N
a è l’accelerazione in m/s2
h è l’altezza del baricentro in m
M massa del veicolo in Kg
L lunghezza della carreggiata in m

I vettori semitrasparenti in verdino sono molto maggiori sulle ruote esterne alla curva; sintomo che la vettura simulata ha subìto un rollio piuttosto elevato.

Continua…

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Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Baricentro di un veicolo e vettori che in esso agiscono

Nei veicoli, come per tutti i corpi che sono soggetti alla forza di gravità, conoscendo l’intensità, la direzione ed il verso del peso, si può definire un punto nel quale è possibile considerare concentrata ed applicata per l’appunto la forza di gravità. Questo punto è detto baricentro. Per un veicolo la determinazione di tale punto è molto laboriosa e l’accuratezza della sua ricerca è di fondamentale importanza per la determinazione a priori del comportamento dinamico del veicolo.

La forza centrifuga e la forza peso possono essere rappresentate come vettori agenti sul baricentro, così la risultante di queste due forze diventa una linea inclinata funzione delle lunghezze dei vettori sommati. Finché questa linea rimane all’interno della zona individuata dalle ruote il veicolo sarà stabile.

Nell’immagine il vettore orientato verso sinistra rappresenta l’intensità, la direzione ed il verso della forza centrifuga (FC), il vettore orientato verso il basso rappresenta la Forza di gravità agente sul corpo (FG), il vettore P rappresenta la risultante delle due forze. Il punto in cui sono applicati tali vettori è il Centro di Gravità (CG) o Baricentro.

Quando la retta d’azione della risultante arriverà all’esterno del piano d’appoggio il veicolo risulterà sottoposto ad un’azione di capovolgimento. Questo è il motivo fondamentale per cui i veicoli destinati alle corse presentano un baricentro molto basso, ottenuto abbassando le singole masse elementari (scocca, motore, trasmissione) come posizione rispetto al suolo, oppure allargando le carreggiate del veicolo.

Il vettore risultante tra la forza centrifuga e quella di gravità esce al di fuori delle ruote, il veicolo tenderà al ribaltamento.

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Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Movimenti del veicolo attorno ai principali assi

L’interazione fra i vari gruppi sospensivi, ovvero tra le sospensioni indipendenti delle quattro ruote, genera una serie di moti della scocca rispetto alla ruote che sono di particolare interesse per la definizione del comportamento del veicolo.

I più importanti movimenti per la definizione del comportamento dinamico del veicolo sono il rollio, il beccheggio e l’imbardata.

Il rollio consiste in un trasferimento di peso (o di carico se vogliamo) trasversale del veicolo attorno all’asse longitudinale del veicolo stesso (vedi figura sotto). Questo fenomeno, come vedremo nei prossimi articoli, condiziona notevolmente la tenuta di strada di qualsiasi veicolo con alterazione degli angoli caratteristici (in particolar modo la campanatura o camber) fino a provocare gravi perdite di aderenza delle ruote con conseguente usura anomala e precoce delle stesse.

Il beccheggio è quel trasferimento di peso longitudinale con rotazione attorno all’asse trasversale del veicolo (vedi figura sotto). Si verifica prevalentemente in fase di accelerazione e frenata. Il beccheggio è legato al concetto di trasferimento di carico longitudinale che abbiamo trattato negli articoli: trasferimento di carico parte -1-, trasferimento di carico parte -2-, trasferimento di carico parte -3-, trasferimento di carico parte -4-, trasferimento di carico parte -5-.

Il moto di imbardata ovvero la rotazione attorno ad un asse verticale è una specie di sterzata che è legata all’aderenza dei pneumatici e alle dimensioni caratteristiche del veicolo: passo e carreggiata. Tutte le forze che tendono a muovere la scocca si realizzano perché i pneumatici a contatto con il terreno offrono delle reazioni vincolari analizzando le quali è possibile determinare i moti cui è sottoposta la scocca. Un parametro fondamentale per l’analisi dei moti è la posizione del baricentro.

Il pompaggio, ovvero l’oscillazione secondo un asse verticale mantenendo la scocca parallela al terreno, è un moto che si può considerare come un caso particolare di beccheggio (una sorta di beccheggio simmetrico).

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Rubrica: I trasferimenti di carico

Titolo o argomento: Stessi assetti, comportamenti diversi. Perchè?

Talvolta, in pista, si possono verificare situazioni piuttosto contraddittorie… Cerchi di entrare in curva andandoci cauto e la vettura può soffrire di instabilità mentre magari, il tuo compagno di squadra con la stessa vettura e il tuo stesso setup entra più forte e senza problema alcuno di equilibrio. Perchè?

Una delle cause più frequenti è senza dubbio quella in cui un pilota, con poco feeling nei confronti della sua vettura, non opera una staccata ben misurata e accenna l’ingresso curva con un intermittente utilizzo del gas. Talvolta persino al centro curva sente il timore di non riuscire a chiudere la traiettoria per errori di valutazione o perchè sta agendo sul gas in un frangente in cui non andrebbe minimamente sfiorato oppure sta prolungando oltremodo, anche se con una lieve pressione, l’azione sul pedale del freno.

Queste azioni intermittenti e timorose sul pedale del gas o il pedale del freno portano inevitabilmente ad uno squilibrio della vettura perchè si trasferisce il carico in modo anomalo, discontinuo e spesso alle parti opposte rispetto a dove dovrebbe andare.

Se il pilota si è accorto di aver frenato troppo e accenna dei colpetti di gas all’ingresso curva va a trasferire il carico al retrotreno in un momento in cui invece la dinamica migliore consisterebbe nell’avere un pelino di carico in più all’avantreno per permettere al retrotreno di scorrere leggermente ed inserire la vettura. Il risultato è che non appena il pilota avverte il sottosterzo, indotto dal trasferimento di carico al posteriore, rilascia nuovamente il gas… Questo continuo “premi e lascia” anche se in realtà dura solo pochi secondi (se non istanti) sottrae inevitabilmente equilibrio anche al migliore degli assetti. Il problema si risolve parlandone con i tecnici ai box che vi rassicureranno sulla possibilità di frenare più tardi a quella staccata ed entrare in completo rilascio, dando poi gas solo nell’istante in cui vi sentirete in grado di chiudere la traiettoria addrizzando velocemente lo sterzo…

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Rubrica: I trasferimenti di carico

Titolo o argomento: Ridurre il trasferimento di carico

L’effetto del trasferimento di carico di cui abbiamo parlato nelle prime tre parti di questa rubrica (Trasferimenti di carico parte 1, parte 2, parte 3) è dovuto principalmente alle accelerazioni, siano esse positive o negative, che sono legate all’aderenza fra ruota e terreno. All’aumentare del coefficiente di aderenza si avrà un aumento delle forze di accelerazione e di decelerazione ottenibili, valori che sono poi legati agli effetti di trasferimento di carico.

Si noti come l’accelerazione in un autoveicolo a trazione anteriore comporta possibili effetti di sottosterzo in curva e perdite di aderenza, invece una decelerazione produce una limitazione nell’azione direzionale e frenante del retrotreno, e migliora (in teoria) le caratteristiche di frenata e direzionalità dell’avantreno.

In un veicolo a trazione posteriore, invece, l’accelerazione produce un aumento di aderenza al retrotreno e una peggiore direzionalità dell’avantreno.

Per limitare il beccheggio si può operare un irrigidimento del sistema molla-ammortizzatore che  può tuttavia comportare perdite di aderenza; oppure si può limitare il fenomeno con un’opportuna disposizione geometrica dei bracci di ancoraggio alla scocca, che consiste in una sospensione detta anti-squat (anti-cabrata) nel caso si opponga all’alleggerimento dell’avantreno o anti-dive (anti-picchiata) nel caso si opponga all’alleggerimento del retrotreno.

In generale si tende ad adottare delle sospensioni dotate di un cinematismo che realizzi, durante l’escursione, una variazione di passo tale che durante la corsa si generi uno spostamento orizzontale della scocca nella direzione opposta al senso di marcia del veicolo. Tale movimento della scocca, per essere attuato, richiede una notevole quantità di energia, che viene ottenuta a spese di quella che genera il beccheggio.

Un esempio ultra raffinato di scooter dotato di sistema anti-dive: Italjet Dragster. Questo motorino oltre ad avere la “meccanica” in vista come oggi piace agli italiani, era il primo ed unico ad essere dotato di un raffinato sistema di sospensioni e di sterzo. Una performance di guida sopra la media era garantita persino ad un cinquantino. Pochi anni dopo dalla sua uscita furono messe in commercio anche versioni di maggiore cilindrata nelle quali meglio si poteva godere delle sue peculiarità. Come per tutte le cose molto tecniche ed estreme. Non fu capito dalla massa, oggi invece sarebbe molto apprezzato…

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Rubrica: I trasferimenti di carico

Titolo o argomento: Il fenomeno fisico

Per trasferimento di carico si intende la variazione delle quote di peso gravanti sull’asse anteriore e posteriore del veicolo rispetto alla situazione statica: questo effetto è causato dalle accelerazioni e dalle decelerazioni che si generano durante il moto. In effetti si sposta la retta d’azione della risultante R fra il carico P e la forza d’inerzia Fi: il carico statico rimane infatti costante fra i due assi, mentre la forza d’inerzia, applicata al baricentro, genera un momento rispetto all’asse di beccheggio che carica un’asse e scarica l’altro. Si ha così una rotazione del baricentro la cui entità dipende dalla distanza del baricentro dall’asse di beccheggio, dalla flessibilità del sistema elastico e dal passo del veicolo. Si ricorda che l’asse di beccheggio è quell’asse trasversale al veicolo attorno a cui la scocca ruota durante i movimenti di beccheggio (accelerazione-frenata), tale asse si può determinare graficamente in funzione della geometria della sospensione. Gli effetti del trasferimento di carico possono venire valutati con la relazione:

T = (a Mh) / L

Dove:
“T” è il trasferimento di peso in N]
“a” è l’accelerazione in m/s2
“h” è l’altezza del baricentro in m
“M” la massa del veicolo in Kg
“L” lunghezza del passo in m

Continua…

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Rispondendo a Riccardo

La domanda è molto generica ma provo comunque a risponderti

Mettere a punto un ottimo assetto richiede l’analisi di una moltitudine di situazioni che si verificano in un giro di pista. Questo insieme di situazioni a sua volta si riverificherà per tutti i giri  che determinano la durata della gara e che, nonostante lo sforzo del pilota nel farli tutti il più possibile simili, non saranno mai del tutto uguali.

Di ogni singola situazione che si verifica in un giro di pista bisogna essere bravi ad individuare quella principale sulla quale operare, ovvero quella che se presa in considerazione per modificare il setup in una direzione, porta vantaggi anche in quasi tutte le altre situazioni. Dico quasi perchè l’assetto perfetto che fa calzare a pennello la vettura sia al pilota, sia a tutti i settori della pista, non mi sembra che esista.

Può accadere che in un giro di pista, il pilota possa trovare che la sua vettura sia sottosterzante in alcuni punti e, addirittura, sovrasterzante in altri. Sebbene la causa di simili anomalie sia spesso dovuta ad errori di guida ovvero ad errori quali un’apertura/chiusura troppo anticipata o ritardata del gas, può accadere che un assetto realizzato ad hoc per un settore risulti poi inadeguato su un altro tratto di pista. In questo caso si sceglie su quale settore tentare di guadagnare tempo e su quale altro settore rinunciare a preziosi decimi o centesimi. Si fa quindi un bilancio.

Cosa intendo con il termine “situazione”

Un esempio di situazione è il seguente (riportato anche in figura); la vettura simulata attraverso un apposito software viene rappresentata con una serie di vettori che descrivono le forze in gioco in quel dato istante. Nel caso in figura  notiamo che l’auto da corsa sta per uscire dalla curva e manifesta un leggero sottosterzo* che permette al pilota di affondare prima il gas  senza il rischio di perdere tempo sovrasterzando o, peggio, girandosi. In altri punti del tracciato questa predisposizione della vettura potrebbe ostacolare il corretto inserimento in curve a raggio più stretto o percorse a velocità più elevate. Un metodo di risoluzione del problema potrebbe essere quello di rendere la vettura un pelo più sovrasterzante in modo da permettere un leggero sovrasterzo che evita il surriscaldamento dei pneumatici anteriori.

*I vettori cambiano colore e lunghezza in base all’entità della forza che agisce nel punto e nella direzione indicata. Analizziamo solo i 4 vettori numerati. Notiamo che la gomma posteriore sinistra ha un vettore (1) “verde” che indica un elevato grip disponibile. La gomma posteriore destra ha un vettore (2) rosso piuttosto corto che sta ad indicare una drastica riduzione di grip dovuta però al normale trasferimento di carico laterale (legato al rollio). All’avantreno invece, la gomma anteriore sinistra (vettore 3)  ha una media presa indicata dal vettore giallo mentre la gomma anteriore destra (vettore 4 leggermente coperto dal vettore 3) non sta poggiando a terra in modo corretto. Questa situazione è stata cercata per impedire alla vettura di sovrasterzare quando si apre il gas in modo violento in alcuni settori della pista. Simulazione effettuata con LFS.

Ebbene quando il pilota sta guidando, trovandosi in brevi archi di tempo in tante e diverse situazioni che richiedono una risposta subito, tenta di interpretare con la sua esperienza il comportamento del suo telaio e del suo assetto nel modo migliore. Tuttavia sarà solo tornando ai box e discutendo (telemetria alla mano) con i tecnici, che egli riuscirà a comprendere il fenomeno che lo penalizza in uno o più punti. Dopodiché si interverrà laddove si ottiene un reale vantaggio. Una maggiore difficoltà di guida in un punto della pista con in cambio una vettura molto guidabile nel misto è senza dubbio da preferire (dato che implica solo una maggiore concentrazione da parte del pilota in quel singolo punto) ad una situazione nella quale il pilota senza sforzo alcuno supera un punto difficile trovandosi poi una vettura completamente squilibrata nel resto del tracciato.

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