Guidate in pista, fate gare di gymkhana o fate qualche tirata sui passi di montagna?
Quando pensate: «Vorrei guadagnare anche solo un secondo!», potreste iniziare a regolare i vostri coilover per intervenire sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo.
Probabilmente avete sentito dire che molle anteriori più rigide causano sottosterzo o che aumentare l’altezza da terra al posteriore provoca sovrasterzo.
Però su riviste e siti internet non si trovano spesso spiegazioni dei meccanismi specifici dietro a questi effetti, quindi questo tipo di conoscenze non è particolarmente diffuso.
Conoscere i meccanismi non significa che si possa trovare subito un assetto veloce. Ma, se si capiscono i principi fondamentali, si cominciano a vedere cose come: «Per risolvere il problema che ho adesso, devo intervenire qui» oppure «Probabilmente questo cambiamento non farà molta differenza».
Inoltre, è meno facile ritrovarsi a chiedersi: «Come posso risolvere questo problema con le sospensioni?» o a confondersi con tutte le teorie discutibili che circolano.
Quindi, questa volta vorrei mettere insieme un articolo su come intervenire sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo partendo dalle proprietà fisiche delle gomme.
Punti chiave
(1) Intervenire sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo significa agire sull’equilibrio tra la forza laterale generata all’anteriore e quella generata al posteriore.
(2) È importante considerare la forza laterale complessiva delle gomme di destra e di sinistra.
(3) Più aumenta il trasferimento di carico, più diminuisce la rigidezza laterale complessiva delle gomme di destra e di sinistra.
(4) I due fattori principali che determinano la ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore sono la rigidezza al rollio e l’angolo dei bracci.
(5) L’altezza del centro di rollio cambia l’influenza relativa di ciascun fattore.
L’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo parte dalle gomme
Cominciamo dal punto (1): «Intervenire sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo significa agire sull’equilibrio tra la forza laterale generata all’anteriore e quella generata al posteriore».
Beh, è praticamente proprio quello che dice.
Se le gomme anteriori generano più forza laterale rispetto alle posteriori, l’auto gira più facilmente. Se invece sono le posteriori a generare più forza laterale, l’auto è più stabile.
Quando si parla di sospensioni, però, si sentono spesso frasi come: «L’anteriore rolla facilmente, quindi l’auto sottosterza» oppure «Il posteriore è troppo rigido, quindi l’auto sovrasterza».
Se ci si limita a ragionare in questi termini, è difficile capire che cosa succeda davvero e in che modo questo provochi una variazione del comportamento, come il sottosterzo o il sovrasterzo.
L’auto è collegata al terreno soltanto attraverso le sue quattro gomme. Quindi le variazioni di assetto, come il rollio della carrozzeria e il beccheggio, fanno in definitiva parte del processo con cui si trasmettono le forze. A influire direttamente sul sottosterzo e sul sovrasterzo è l’equilibrio tra la forza laterale all’anteriore e quella al posteriore.
Che si parli di molle, barre antirollio o forza di smorzamento, è importante continuare a chiedersi: «Alla fine, in che modo questo cambia l’equilibrio tra la forza laterale all’anteriore e quella al posteriore?»
Passiamo al punto (2): «È importante considerare la forza laterale complessiva delle gomme di destra e di sinistra».
In generale, penso che chi è più bravo alla guida tenda a gestire il trasferimento di carico in modo più fluido. Ma, come si capisce da espressioni come «dare più carico alla gomma» o «caricare bene la gomma», quando si parla del trasferimento di carico come tecnica di guida ci si concentra praticamente solo sulla gomma che riceve carico, cioè quella esterna.
Va bene se stiamo parlando soltanto della tecnica di guida, ma anche la gomma che perde carico — quella interna — non è affatto inerte (tranne nei casi in cui, per esempio, la gomma posteriore interna di un’auto a trazione anteriore si solleva da terra).
Le gomme anteriori sono due, e anche quelle posteriori sono due.
Perciò, quando si parla dell’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo, è importante considerare la forza laterale complessiva generata dalle gomme di destra e di sinistra.
Perché il trasferimento di carico riduce la rigidezza laterale complessiva
Ora esaminiamo il punto (3): «Più aumenta il trasferimento di carico, più diminuisce la rigidezza laterale complessiva delle gomme di destra e di sinistra».
Per prima cosa, guardiamo questo grafico.
Il grafico è stato disegnato facendo riferimento alla Figura 10 di «Flat-Belt Suspension Tire Test Machine» (Tomoki Sakai, Kaoru Kusaka e Yuji Sato), pubblicato sul sito dei documenti tecnici di Honda R&D, e realizzato in modo che corrisponda il più possibile all’originale.
L’asse verticale del grafico rappresenta la rigidezza laterale (la forza laterale per unità di angolo di deriva), mentre l’asse orizzontale rappresenta il carico.
Come vedete, l’aumento della rigidezza laterale al crescere del carico sulla gomma non è direttamente proporzionale.
La rigidezza laterale aumenta con il carico, ma l’incremento diventa sempre più piccolo man mano che il carico cresce.
Dopo un certo punto, comincia addirittura a diminuire.
Questa caratteristica si chiama sensibilità al carico della gomma.
Ora supponiamo di avere un’auto in cui, a 1 g, il carico su ciascuna gomma anteriore è di 4.000 N.
Quando l’auto affronta una curva, il trasferimento di carico riduce il carico sulla gomma interna e lo aumenta su quella esterna.
Per esempio, se il trasferimento di carico è di 2.000 N, il carico sulla gomma interna diventa 2.000 N, mentre quello sulla gomma esterna diventa 6.000 N.
Il grafico apparirebbe così.
Ora osservate come cambia la rigidezza laterale delle gomme interna ed esterna.
La rigidezza laterale della gomma esterna è aumentata.
È aumentata, ma non di molto.
Nel frattempo, la rigidezza laterale della gomma interna è diminuita parecchio.
Ora calcoliamo il totale delle gomme interna ed esterna.
Prima del trasferimento di carico:
Gomma interna 1.300 N/grado + gomma esterna 1.300 N/grado = totale 2.600 N/grado
Dopo il trasferimento di carico:
Gomma interna 800 N/grado + gomma esterna 1.420 N/grado = totale 2.220 N/grado
A causa del trasferimento di carico, la rigidezza laterale complessiva è diminuita.
Questa caratteristica delle gomme è uno degli aspetti fondamentali da capire quando si ragiona sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo.
Che si modifichi l’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo intervenendo sulle molle oppure sulla ripartizione dell’altezza da terra tra anteriore e posteriore, alla fine la causa è sempre questa caratteristica delle gomme.
È anche uno dei motivi per cui le auto sportive hanno il baricentro basso.
Se il baricentro di un’auto è alto, a parità di accelerazione laterale si verifica più trasferimento di carico. Questo riduce la forza laterale complessiva e rende più difficile andare forte. Perciò si abbassa il baricentro, cercando di guadagnare più aderenza possibile e migliorare le prestazioni dell’auto.
Ora che abbiamo verificato questa caratteristica delle gomme, passiamo finalmente alla messa a punto delle sospensioni.
Che cosa determina la ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore?
Per prima cosa, vediamo il punto (4): «I due fattori principali che determinano la ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore».
Elementi legati alla rigidezza al rollio (esempi)
- Molle elicoidali
- Barre antirollio
- Entità della compressione dei tamponi di fine corsa
- ecc.
Elementi legati all’angolo dei bracci (esempi)
- Altezza da terra
- Correttori dell’altezza del centro di rollio
- Smorzamento degli ammortizzatori
- ecc.
Per esempio, se rendete più rigide le molle anteriori e più morbide quelle posteriori, durante il rollio l’avantreno si farà carico di una quota maggiore del trasferimento di carico.
Come abbiamo visto, le gomme sono sensibili al carico. Quindi, se l’avantreno si fa carico di una quota maggiore del trasferimento di carico, la forza laterale complessiva delle due gomme anteriori diminuisce e l’auto diventa più difficile da far girare.
Però questi non sono gli unici fattori che determinano la ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore.
La ripartizione cambia anche in base all’angolo dei bracci delle sospensioni.
Per esempio, se inizialmente i bracci sono paralleli al terreno e si aumenta l’altezza da terra, i bracci si inclinano verso il basso in direzione dell’esterno dell’auto. Se si alza soltanto l’anteriore, lasciando i bracci posteriori paralleli al terreno, durante il rollio l’inclinazione dei bracci anteriori farà sì che una quota maggiore del trasferimento di carico venga trasmessa attraverso i bracci all’anteriore.
Attenzione, però: la differenza tra anteriore e posteriore nel trasferimento di carico che si verifica è soltanto una differenza nella ripartizione tra i due assi. Non significa che il trasferimento di carico totale dell’intera auto aumenti di quella quantità.
Il trasferimento di carico totale dell’auto è determinato da quattro fattori: peso del veicolo, accelerazione laterale, altezza del baricentro e carreggiata. Da lì, la ripartizione tra anteriore e posteriore cambia in base a fattori come la rigidezza al rollio e l’angolo dei bracci.
A margine, ogni tanto vedo affermazioni come: «Se si aumenta la rigidezza al rollio dell’avantreno, l’anteriore rolla meno del posteriore e l’auto diventa più difficile da far girare».
Capisco perché si voglia ragionare in termini di «rollio anteriore» e «rollio posteriore». Però il rollio della carrozzeria è un movimento in cui essa ruota attorno all’asse di rollio che collega i centri di rollio anteriore e posteriore (※), e l’angolo di rollio è l’angolo di rotazione della carrozzeria. Quindi, se la carrozzeria non si torce, gli angoli di rollio anteriore e posteriore sono uguali.
In altre parole, anche questo vuol dire che la rigidità della carrozzeria è importante. Ma è un altro argomento, quindi lo lascio da parte.
Un’auto in movimento subisce anche il beccheggio oltre al rollio, quindi qui la faccenda diventa un po’ più complicata. Ma resta vero che «se la carrozzeria non si torce, gli angoli di rollio anteriore e posteriore sono uguali», quindi tenetelo a mente.
Ciò che cambia con la rigidezza al rollio e con l’angolo dei bracci non è la ripartizione dell’angolo di rollio tra anteriore e posteriore, ma la ripartizione del trasferimento di carico tra i due assi.
(※ A essere precisi, esiste una scuola di pensiero che definisce il rollio come un movimento rotatorio attorno a un asse che attraversa longitudinalmente l’auto, è parallelo al terreno e passa per il baricentro. Quindi dire che l’asse che collega i centri di rollio anteriore e posteriore sia l’asse di rollio non è necessariamente l’unica risposta corretta. Qui ho usato l’espressione più comune. È un argomento importante, quindi in futuro gli dedicherò un articolo a parte.
Se non avete idea di cosa stia parlando, potete saltare tranquillamente questo passaggio.)
A proposito, perché l’altezza da terra e la forza di smorzamento hanno a che fare con l’angolo dei bracci?
Perché, modificandole, cambia l’angolo effettivo dei bracci mentre l’auto è in movimento.
Quando si cambia l’altezza da terra, cambia l’angolo dei bracci. Di conseguenza, dopo che la carrozzeria ha compiuto una certa quantità di rollio, l’angolo dei bracci è diverso da quello che si aveva prima della modifica dell’altezza.
Di conseguenza cambia la ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore, e cambia l’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo.
Per quanto riguarda la forza di smorzamento, questa modifica la velocità del rollio e del beccheggio, quindi cambia la risposta transitoria.
Se la forza di smorzamento è bassa, l’angolo dei bracci cambia più rapidamente e in misura maggiore nelle fasi iniziali. Se è alta, le variazioni dell’angolo dei bracci avvengono più lentamente.
Per esempio, è per questo che usare lo smorzamento posteriore al minimo può far sovrasterzare l’auto in ingresso curva.
Tuttavia, una volta raggiunto il rollio massimo e iniziata la percorrenza in curva a regime, i bracci delle sospensioni non si muovono più, quindi lo smorzamento non ha più effetto.
Allo stesso tempo, la forza di smorzamento contribuisce anche direttamente al trasferimento di carico alle gomme, quindi i suoi effetti non si limitano a questa funzione.
Come l’altezza del centro di rollio modifica l’equilibrio
Infine, esaminiamo il punto (5): «L’altezza del centro di rollio cambia l’influenza relativa di ciascun fattore».
Questo è un argomento che sarebbe meglio spiegare con le equazioni. Questa volta, però, voglio spiegarlo senza usare alcuna equazione, per rendere l’articolo più leggibile.
Di conseguenza, alcune espressioni saranno inevitabilmente un po’ vaghe e quindi meno precise. Tenetelo presente.
Se volete conoscere i dettagli, vi consiglio di dare un’occhiata alla pagina seguente. Purtroppo è in giapponese e, dopo aver cercato, non sono riuscito a trovare in inglese qualcosa di adatto:
Prima o poi ne scriverò io stesso. Nel frattempo, abbiate pazienza. Ahah
Abbiamo parlato di come il trasferimento di carico totale dell’intera auto sia determinato da quattro fattori — peso del veicolo, accelerazione laterale, altezza del baricentro e carreggiata — e di come la sua ripartizione tra anteriore e posteriore sia determinata dalla rigidezza al rollio e dall’angolo dei bracci.
Di conseguenza, se aumenta la quantità di trasferimento di carico all’anteriore, diminuisce la forza laterale complessiva delle gomme anteriori di destra e di sinistra. Allo stesso modo, se aumenta la quantità di trasferimento di carico al posteriore, diminuisce la forza laterale complessiva delle gomme posteriori di destra e di sinistra.
A proposito, più è grande la distanza tra il baricentro e l’asse di rollio (il braccio del momento di rollio), maggiore sarà il rollio della carrozzeria.
Al contrario, più corto diventa il braccio del momento di rollio, minore sarà il rollio. Ma che cosa succederebbe se l’asse di rollio e il baricentro si trovassero esattamente alla stessa altezza, cioè se il braccio del momento di rollio fosse pari a zero?
In questo caso, anche in curva, la sospensione non si muoverebbe affatto nella direzione di rollio.
Il trasferimento di carico si verificherebbe comunque, quindi l’auto si inclinerebbe a causa della deformazione delle gomme.
Sarebbe un’auto la cui sospensione non si muove in rollio, oppure, forse, una scatola rettangolare con le gomme attaccate.
(A proposito, se da quel punto si alzasse ancora l’asse di rollio, il verso del rollio si invertirebbe.)
In questo caso, come verrebbe ripartito il trasferimento di carico tra anteriore e posteriore?
La ripartizione diventerebbe uguale a quella del peso tra anteriore e posteriore a 1 g.
In altre parole, supponiamo di avere un’auto con una ripartizione del peso tra anteriore e posteriore di 60:40. Se alziamo l’asse di rollio fino ad azzerare il braccio del momento di rollio, anche la ripartizione del trasferimento di carico in curva diventa 60:40.
Ora facciamo il contrario e abbassiamo l’asse di rollio.
Se continuiamo ad abbassarlo fino a portarlo alla stessa altezza del terreno, il braccio del momento di rollio diventa pari all’altezza del baricentro. La ripartizione del trasferimento di carico tra anteriore e posteriore diventa quindi uguale alla ripartizione della rigidezza al rollio tra i due assi.
A questo punto, la ripartizione del peso tra anteriore e posteriore a 1 g non conta più. Per esempio, se l’auto ha una ripartizione del peso di 60:40 tra anteriore e posteriore a 1 g e una ripartizione della rigidezza al rollio di 50:50, abbassando l’asse di rollio fino all’altezza del terreno si ottiene una ripartizione del trasferimento di carico di 50:50.
(A proposito, se si abbassa ancora l’asse di rollio, il verso del momento trasmesso alla carrozzeria attraverso i bracci della sospensione si inverte. Tuttavia, poiché viene compensato dal momento di rollio contrastato dalla rigidezza al rollio, il verso finale del rollio non cambia.)
Infine, che cosa succede se l’asse di rollio si trova a metà dell’altezza del baricentro?
In questo caso, l’auto risente in misura uguale della ripartizione del peso tra anteriore e posteriore a 1 g e della ripartizione della rigidezza al rollio tra i due assi.
Se si alza gradualmente l’asse di rollio da qui, diventa più forte l’influenza della ripartizione del peso tra anteriore e posteriore a 1 g. Se invece lo si abbassa gradualmente, diventa più forte l’influenza della ripartizione della rigidezza al rollio tra anteriore e posteriore.
Questa volta, per spiegare tutto soltanto a parole e mantenere l’articolo leggibile, ho tralasciato gli effetti della carreggiata e di altri fattori.
Come tendenza di base, penso che questa spiegazione vada bene. Se però volete fare calcoli dettagliati, tenete presente che, a seconda della situazione, potrebbero esserci alcune discrepanze.
Se volete approfondire davvero l’argomento in inglese, la pagina seguente potrebbe esservi utile. Considera però il caso di un singolo asse — anteriore o posteriore — quindi differisce un po’ dal punto principale della discussione qui:
«Trasferimento di carico geometrico ed elastico e centro di rollio»
Quindi, questa volta ho parlato dei meccanismi per cui modificare la rigidezza al rollio o l’altezza da terra cambia l’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo dell’auto.
In un certo senso, è una messa a punto del trasferimento di carico. Ci sono altri modi per intervenire sull’equilibrio tra sottosterzo e sovrasterzo, come la pressione delle gomme, la geometria delle ruote e l’aerodinamica, ma il trasferimento di carico è uno degli aspetti più fondamentali per capire i meccanismi delle sospensioni.
Spero che vi sia utile in qualche modo.
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