Ackermann

Per riuscire a cambiare direzione in modo continuo e senza trascinamento, le ruote anteriori di un veicolo, quando percorrono una curva, devono essere sterzate con angoli leggermente diversi.

La ruota interna, infatti, percorre una circonferenza di raggio più stretto e, se si vuole che non si verifichino strisciamenti nel contatto ruota - terreno, deve essere sterzata con un angolo maggiore rispetto al corpo dell'auto (basta pensare al modo in cui gli atleti che partecipano ad una gara di corsa sui 400 metri sono scaglionati al momento della partenza per rendersi conto di questa necessità). Questa differenza diventa ancora più grande al restringersi della curva.

I progettisti delle auto riescono ad ottenere questo risultato predisponendo la geometria dello sterzo in base al sistema a quadrilatero articolato denominato quadrilatero di Ackermann, dal nome del tecnico tedesco Rudolf Ackermann; il sistema è anche conosciuto con il nome di quadrilatero di Jeantaud, dal nome del tecnico francese Charles Jeantaud che nel 1878 ne realizzò una prima versione.
Il principio di Ackermann afferma che, quando un veicolo effettua una sterzata, le linee immaginarie ad angolo retto rispetto al piano di mezzeria delle ruote devono incontrarsi in uno stesso punto, il cosiddetto punto di istantanea di rotazione che è il punto attorno al quale la macchina sta effettivamente girando.

Per permettere alle ruote anteriori di spostarsi in base al principio di Ackermann, i bracci dello sterzo delle ruote anteriori sono inclinati in modo che due rette immaginarie passanti per essi si incontrino al centro dell'assale posteriore.
In realtà, le caratteristiche di tenuta di strada dei pneumatici consentono leggere variazioni rispetto ad una rigida applicazione del principio di Ackermann (che, comunque, rimane valido) e si utilizzano così dei meccanismi che producono un'ottima approssimazione della situazione ideale.
Un angolo di Ackermann pronunciato si traduce in un comportamento di guida dolce e prevedibile: la macchina percorrerà le curve con precisione, senza che le quattro ruote tirino verso direzioni diverse. Un angolo minire, invece, da più direzionalità, specialmente nell'inserimento di curva, ma non è garantito che ogni tanto l'avantreno non "scappi" creando così un raggio di sterzata non uniforme.

Campanatura

L'inclinazione delle ruota rispetto all'asse verticale è chiamata campanatura o angolo di camber (o più semplicemente camber).Quest'angolo può risultare nullo, positivo o negativo: se la parte superiore della ruota risulta inclinata verso l'esterno, cosicchè le ruote dello stesso assale convergono verso il basso, si parla di angolo di camber positivo; se, invece, le ruote sono inclinate verso l'interno, ossia convergono verso l'alto, l'angolo di camber è considerato negativo.Valori elevati dell'angolo di camber, tanto positivi quanto negativi, sono da evitare perchè tendono a far sollevare parte del battistrada dei pneumatici dalla superficie stradale, con una drastica riduzione dell'aderenza ed un più rapido consumo dei pneumatici stessi: di solito si usano valori che al massimo arrivano a +/- 3° circa (ma solitamente non si usa mai un angolo di campanatura positivo).

Un angolo negativo è necessario perchè, quando la macchina percorre una curva, il telaio s'inclina tendendo così ad aumentare il grado di campanatura stesso: se l'angolo non fosse leggermente negativo, il pneumatico toccherebbe terra solo con la parte esterna, con riduzione della trazione. Dato che il grip di un pneumatico cresce al crescere della sua superficie d'appoggio col terreno, la situazione ottimale si otterrebbe se esso rimanesse sempre perpendicolare al terreno senza deformarsi in presenza di forti carichi laterali ma normalmente non è così e bisogna quindi cercare il miglior compromesso possibile.
Se si vuole la massima trazione in accelerazione ed in frenata (in rettilineo) allora bisogna regolare la campanatura a 0°, mentre se si vuole la massima trazione in curva allora bisogna impostarlo ad un valore negativo di qualche grado, in funzione della rigidità della sospensione e della durezza della mescola del pneumatico; non è possibile, quindi, ottimizzare entrambe le situazioni.
Il modo più facile è regolare la campanatura in modo che il pneumatico si consumi in modo uniforme su tutta la larghezza del battistrada, così che ogni punto delle gomma venga utilizzato al massimo.
Si tenga presente che una macchina con sospensioni molto morbide richiede un angolo di camber negativo più accentuato di una con sospensioni molto rigide mentre in condizioni di fuoristrada potrebbe essere utile usare un angolo maggiore di quello che garantirebbe un consumo uniforme in modo da stabilizzare la macchina sugli ostacoli più grossi e per ridurre il rischio che la ruota si infili in un solco ribaltando così la

Convergenza

Quando l'auto è in movimento, la combinazione delle forze di trazione e di attrito fra superficie stradale e battistrada tende a far "aprire" o "chiudere" le ruote. Per ottenere una marcia rettilinea, quindi, le ruote non devono essere, a vettura ferma, perfettamente parallele tra loro ma, a seconda dei casi, leggermente convergenti o divergenti.
Guardando il veicolo dall'alto, si parla di convergenza (toe-in in inglese) quando i piani longitudinali passanti per le ruote convergono e si incontrano davanti al veicolo, mentre se l'incontro avviene dietro il veicolo, si parla di convergenza negativa o, più comunemente, di divergenza (toe-out); l'angolo viene misurato in gradi.

Nello schema, entrambe le ruote anteriori "tirano" la macchina di lato, anche se l'effetto totale è nullo, dal momento che le forze in gioco sono uguali ed opposte: in teoria la macchina non sbanda né a destra né a sinistra, ma questa è una situazione instabile.
Supponiamo che la macchina incontri una piccola irregolarità del terreno su un lato soltanto, oppure che le ruote siano leggermente sterzate, ciò si tradurrà in un po' di carico in più su uno dei due pneumatici anteriori, che quindi farà più presa sul terreno e potrà tirare la macchina un pò dalla propria parte: il risultato è che una ruota tira con più forza in una direzione, mentre la forza che agisce in direzione opposta si è indebolita e, di conseguenza, le due forze non si controbilanciano più, e si crea una risultante che fa curvare la macchina.
Il guidatore può cercare di controsterzare ma, se la correzione non è perfetta, ci ritroviamo daccapo nella stessa situazione, questa volta in direzione opposta.La macchina avrà quindi la tendenza a sbandare da una parte e dall'altra, o, nel peggiore dei casi, ad entrare in oscillazione.
Se la divergenza delle ruote causa instabilità, non c'è motivo di adottarla al retrotreno poichè renderebbe la macchina inguidabile.
Per quanto riguarda l'avantreno, invece, c'è l'effetto stabilizzante dell'angolo di incidenza. E' per questo che talvolta le ruote anteriori possono essere leggermente divergenti, purché la macchina abbia un angolo di incidenza sufficiente a dare stabilità sui rettilinei. L'effetto "instabilità" si farà comunque notare nell'inserimento in curva, che risulterà più immediato ed aggressivo.

La convergenza delle ruote ha, invece, un effetto stabilizzante: tenderà a far andare dritta la macchina. Viene adottata per lo più al retrotreno, dove ne previene la tendenza a 'scappare' quando i pneumatici vengono bruscamente portati ai limiti del cerchio di tenuta, e ogni irregolarità del terreno può far loro perdere la presa. Il guidatore avrà la sensazione che il posteriore sia "incollato alla strada", come se ci fosse una forza invisibile che lo tiene in traiettoria.
Tuttavia ci sono degli svantaggi: la direzionalità in curva può soffrirne parecchio, specie in quelle lente. L'effetto può arrivare ad essere tale che la tenuta dell'avantreno è a malapena sufficiente a far curvare la macchina. In altre parole, troppa convergenza al retrotreno può tradursi in un effetto di sottosterzo.
Se le ruote anteriori sono convergenti, si ha sostanzialmente lo stesso effetto stabilizzante; ciò può essere comodo per controllare le accelerazioni, ma farà perdere direzionalità all'anteriore: l'inserimento in curva sarà assai meno aggressivo.

Convergenza e divergenza hanno in comune un effetto: aumentano la prontezza di reazione della macchina. Le forze opposte, per piccole che siano normalmente, eliminano tutti i giochi della sospensione, e pre-caricano lateralmente i pneumatici, deformandone leggermente la carcassa. Ciò consente alla macchina di reagire più prontamente.

Lo svantaggio di un angolo accentuato di convergenza o divergenza sta soprattutto nello spreco di energia (quindi perdita di velocità): all'aumentare dell'angolo cresce lo slittamento dei pneumatici con l'asfalto, quindi, quanto maggiore è il grip della pista, tanto maggiore sarà la perdita. Inoltre, se l'angolazione delle ruote è pronunciata, saranno altrettanto ampi gli angoli di slittamento, con conseguente diminuzione della tenuta di strada persino in rettifilo.

I valori normalmente utilizzati vanno da -1.5 a +1.5 gradi all'anteriore, più di così darebbe luogo a comportamenti strani, mentre al posteriore è comune utilizzare da 0 a 3.5 gradi di convergenza, qualcosa meno per le macchine on-road.

Lo sterzo deve avere un effetto autocentrante, per consentire al veicolo di proseguire in linea retta quando non si intende intervenire sul volante per modificarne la traiettoria.
Questo effetto si ottiene con un opportuno posizionamento dell'asse di rotazione del fuso snodo (o del porta-mozzo) delle ruote anteriori. Se questo asse venisse prolungato fino ad incontrare il terreno, il contatto avverrebbe un pò più avanti della verticale condotta dal centro del mozzo: la distanza al suolo tra questi due assi viene definita "avancorsa"; il termine è giustificato dal fatto che, considerando il senso di marcia del veicolo, il punto di contatto viene a trovarsi davanti al centro dell'area di impronta del pneumatico (un angolo di incidenza negativo, solitamente, non viene mai usato).

Per rendersi conto dell'effetto dell'angolo di incidenza, chiamato anche angolo di caster o semplicemente caster, basta pensare al comportamento delle ruote girevoli di una sedia o di un carrello portavivande: queste ruote tendono infatti ad orientarsi nel senso del movimento, poichè la resistenza che incontrano durante il rotolamento agisce come coppia (la spinta è applicata in un punto diverso dalla resistenza) che tende a ri-allineare le ruote.
Un angolo di incidenza non nullo causerà un eccesso di campanatura delle ruote anteriori quando vengono sterzate, facendo alzare l'avantreno. E' questo innalzamento che dà alle ruote anteriori la tendenza a raddrizzarsi spontaneamente quando non si applica forza allo sterzo: con le ruote dritte il telaio sta all'altezza minima da terra, mentre per sterzare bisogna applicare della forza, per alzare l'avantreno. Al venir meno dell'azione sterzante, la forza di gravità riporterà le ruote nella posizione originale. Questo effetto è tanto più pronunciato, quanto più la macchina è pesante e l'angolo di incidenza è pronunciato. Inoltre, al crescere dell'angolo di incidenza, cresce la differenza di campanatura tra le ruote quando vengono sterzate. Questa differenza di campanatura va a compensare l'inclinazione del telaio e la deformazione dei pneumatici che si verificano in curva.

Un angolo di incidenza pronunciato aumenterà la direzionalità all'inserimento in curva e nei curvoni veloci, in cui l'inclinazione del telaio è più pronunciata. Aumenterà anche la stabilità su terreno accidentato e la stabilità in rettilineo. Un angolo di incidenza poco pronunciato, invece, migliorerà la direzonalità nelle curve lente e ammorbidirà l'inserimento in curva.

Si noti che l'angolo di incidenza non è sempre costante: nelle macchine con sospensioni a trapezio, in cui il braccio superiore non è parallelo al triangolo inferiore, l'incidenza varierà con il movimento della sospensione. Se il triangolo inferiore ha un'inclinazione orizzontale minore rispetto al braccio superiore, l'angolo di incidenza diminuirà con la compressione della sospensione, ad esempio in curva o in frenata. Questo effetto è detto "incidenza reattiva".

Le molle

Il tipo più diffuso di molla è quello elicoidale, costituita da un tondino d'acciaio speciale, avvolta a spirale secondo un'elica cilindrica o conica, al cui interno viene inserito l'ammortizzatore.
Una molla è un elemento elastico e la forza che esercita (sia in estensione che in compressione) è proporzionale all'accorciamento della molla stessa rispetto alla sua posizione di riposo ed alla sua costante elastica (che dipende dal tipo di materiale usato, dal suo spessore...); se la costante elastica ha un valore elevato allora la molla risulta dura, mentre se ha un valore basso allora risulta morbida. Nel caso delle molle progressive, invece, la costante elastica non è costante ma aumenta all'aumentare della compressione della molla, questo permette ad una molla d'avere un comportamento "morbido" all'inizio per poi diventare "rigido" con l'aumentare della sua compressione (questo può accadere perchè varia il diametro del filo d'acciaio oppure il passo ed il diametro d'avvolgimento).

Mentre dal punto di vista matematico le molle non presentano particolari complicazioni, lo stesso non si può dire dal punto di vista dell'assetto. Il problema è che lavorano in due dimensioni: longitudinalmente e trasversalmente rispetto all'asse della macchina.
Ad esempio: una macchina con molle morbide non solo presenterà un accentuato rollio nelle curve veloci, ma abbasserà anche molto il muso nelle staccate violente e lo alzerà molto nelle accelerazioni. Ciò è dovuto al fatto che le molle devono compensare i momenti che si creano (dovuti al rollio ed al beccheggio) e molle morbide devono essere compresse parecchio per resistere ad una data forza; si può quindi dire che la durezza delle molle influenza praticamente tutto: reazione alle asperità del terreno, rigidità al rollio, rigidità al beccheggio, ecc...

In generale una molla più rigida diminuisce il grip della ruota corrispondente, mentre una molla più morbida l'aumenta. Ciò accade perché le molle contrastano il trasferimento di peso (sia longitudinalmente che trasversalmente) e, a parità di sterzata, accelerazione o frenata, una molla più rigida subirà una compressione minore, con conseguente minor movimento del telaio e quindi minor trasferimento di peso; al contrario, una molla più morbida subirà un accorciamento maggiore e quindi provocherà un maggior spostamento di peso.

Se la strada presenta una serie di piccole asperità ravvicinate fra loro, molle rigide faranno saltellare la macchina, con danno per la tenuta di strada, quindi bisognerà utilizzare delle molle più morbide per mantenere i pneumatici a contatto del terreno. Su piste lisce, invece, bisogna usare molle più rigide per aumentare la reattività della macchina e la sua capacità di effettuare i salti.

Ammortizzatori

Gli ammortizzatori hanno il compito di frenare i rimbalzi delle molle dopo che la vettura ha superato un'irregolarità del fondo stradale: senza di essi le molle continuerebbero ad oscillare in modo incontrollato rendendo la guida molto pericolosa.
La maggio parte degli ammortizzatori è di tipo telescopico; l'ammortizzatore risulta costituito da un cilindro sigillato, pieno d'olio, che contiene un pistone collegato ad un'asta. Un'estremità del cilindro è fissata all'asse, mentre l'altra estremità è fissata al corpo della vettura.Quando una ruota si solleva a causa di un'irregolarità del terreno, l'ammortizzatore si comprime costringendo il pistone a muoversi all'interno del cilindro con conseguente spostamento dell'olio dalla parte inferiore del cilindro a quella superiore attraverso piccoli fori (a volte anche attraverso valvole unidirezionali) situati nel pistone.La distensione della molle tende a fare estendere l'ammortizzatore: il pistone risale nel cilindro, ma questo movimento è rallentato perchè l'olio deve nuovamente scorrere attraverso i fori presenti nel pistone e quindi l'ammortizzatore rallenta la corsa della molla, assorbendo tutta l'energia "del rimbalzo".
In termini di energia, le molle assorbono l'energia durante la compressione rilasciandola nella fase di estensione mentre gli ammortizzatori franano sempre il movimento della molla, dissipando l'energia associata al loro movimento consentendo ai pneumatici di rimanere a contatto col terreno quanto più possibile.
Ciò suggerisce che l'ammortizzatore dovrebbe sempre essere regolato in funzione della durezza della molla: non bisogna mai abbinare un ammortizzatore molto morbido ad una molla molto rigida o un ammortizzatore molto duro ad una molla molto morbida. Piccoli aggiustamenti, tuttavia, possono dare risultati molto interessanti: un ammortizzatore un pò più duro renderà più stabile la macchina e rallenterà i movimenti sia di beccheggio che di rollio.
Bisogna notare che l'ammortizzatore influenza solo la velocità con cui avvengono i movimenti di beccheggio e di rollio e non la loro entità! Quindi, se si vuole che una macchina presenti meno rollio, sarà necessario intervenite sulle barre anti-rollio o sulle molle, ma non sugli ammortizzatori.
Ciò che si può regolare con l'ammortizzatore è la velocità con cui la sospensione riprende la posizione di partenza: se una macchina con molle morbide ma ammortizzatori duri viene schiacciata verso il basso, ritornerà nella posizione originale molto lentamente perchè gli ammortizzatori freneranno molto la forza della molla, mentre una macchina con molle rigide ed ammortizzatori morbidi si comporterà nel modo opposto, ovvero riprenderà molto velocemente la posizione originale. La stessa situazione si ha in uscita dalle curve: in curva, il peso si sposta e il telaio si sarà inclinato lateralmente e/o longitudinalmente, ma quando si raddrizza lo sterzo le sollecitazioni dovute alla sterzata scompaiono e il telaio riassume la configurazione originale; la velocità con cui ciò avviene è determinata dalla durezza degli ammortizzatori. Una macchina con molle morbide e ammortizzatori duri mostrerà la tendenza a voler continuare a curvare quando si raddrizza lo sterzo, e tenderà a voler andare dritta quando si comincia a sterzare; avrà un comportamento in generale poco reattivo ma molto dolce. D'altro canto, invece, una macchina con molle rigide e ammortizzatori morbidi sarà molto reattiva: seguirà velocemente e aggressivamente la volontà del pilota ma in modo più nervoso.

Le proprietà di un ammortizzatore si possono variare tramite i buchi presenti nel pistone oppure cambiando il tipo di olio presente nel cilindro. Dal punto di vista statico, la combinazione di un pistone con fori piccoli e olio fluido equivale a quella di un pistone con fori grandi e olio viscoso e la sensazione che si potrà avere schiacciando la macchina con la mano sarà la stessa. L'effetto sulla guida sarà lo stesso nei passaggi a bassa velocità (velocità del pistone rispetto al cilindro dell'ammortizzatore, e non della velocità della macchina), come nelle curve lente e su irregolarità a bassa frequenza. La vera differenza, tuttavia, si ha nel comportamento ad alta velocità (sempre del pistone rispetto al cilindro e ciò può accadere, ad esempio, quando si ritocca terra dopo un salto oppure passando velocemente sopra un dosso): la prima combinazione andrà velocemente in blocco (più precisamente si avrà un blocco idraulico dovuto ad una differenza di resistenza, di solito molto elevata, tra il funzionamento "a velocità bassa" e quello a "velocità alta") a causa della maggiore velocità dell'olio più fluido (poichè, a parità di tempo, deve passare la stessa quantità di olio attraverso fori più piccoli e quindi la velocità deve essere maggiore), la seconda combinazione, invece, sarà meno propensa ad andare in blocco a causa della maggior lentezza con cui scorre il fluido molto più viscoso, per questo motivo, si avrà un blocco solo per velocità del pistone molto più alte o addirittura non si verificherà per nulla (semplificando il concetto, non si otterrà il blocco perchè all'interno dei buchi del pistone, in cui scorre il fluido, non si raggiungono le velocità elevate che determinano il blocco, ovvero il salto di "resistenza opposta al movimento").

La scelta del pistone e dell'olio giusti dipende soprattutto dal tracciato della pista: salti "killer" o irregolarità "scassa-telaio" richiedono pistoni con fori piccoli per impedire che il telaio impatti col terreno (rendendo tra l'altro molto instabile la macchina in quei frangenti), invece se la pista è molto irregolare e piena di solchi bisognerebbe orientarsi verso pistoni con fori grandi poichè il blocco degli ammortizzatori farebbe rimbalzare la macchina rendendola molto instabile.

Articolo a cura di TS4 e VIRTUAL

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