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Capitolo 2: Le sospensioni

2.1 Le molle

Il tipo più diffuso di molla è quello elicoidale (vedi figura), al cui interno viene normalmente alloggiato il cilindro dell'ammortizzatore, e l'insieme compone l'unità molla-ammortizzatore. Una molla è un elemento elastico, che resiste alla compressione nella sua direzione di lavoro. La forza resistente che esercita è proporzionale all'accorciamento della molla stessa. In termini matematici:

Forza = Accorciamento Costante elastica

Se la costante elastica ha un valore elevato, la molla risulta dura, mentre se ha un valore basso, la molla risulta morbida.

coil springs

coil springs

Nel caso delle molle progressive, la costante elastica aumenta all'aumentare della compressione della molla, mentre per le molle regressive accade il contrario. La maggior parte delle molle elicoidali ha un comportamento leggermente progressivo, in quanto, all'accorciarsi della molla, alcune spire cominciano a toccarsi, soprattutto agli estremi della molla, e quindi il numero di spire disponibili diminuisce.

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 (vedi centro di rollio e anti-beccheggio), e molle morbide devono essere compresse parecchio per resistere ad una data forza (se questo concetto non è chiaro, vi consiglio di dare un'altra occhiata al grafico). Si noti che sia un curva che in staccata l'effetto è lo stesso: più carico sulle ruote anteriori. Allora si potrebbe pensare: "Perché darsi la pena di distinguere, tanto l'effetto è lo stesso". Invece è importante analizzare quanto accade, perché, una volta letti i capitoli che seguono, sarete in grado di regolare il bilanciamento trasversale in modo indipendente da quello longitudinale. Per adesso, si tenga presente che la durezza delle molle influenza praticamente tutto: reazione alle asperità del terreno, rigidità al rollio, rigidità al beccheggio ecc.

In generale, si potrebbe dire che 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: 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, il che risulta in un maggior spostamento di peso.

Tuttavia, non si possono usare sempre le molle che si vorrebbero: 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 liscie, invece, bisogna usare molle più rigide, per aumentare la reattività della macchina e la sua capacità di effettuare i salti.

 

2.2 Gli ammortizzatori

L'ammortizzatore è necessario per dissipare l'energia associata all'escursione della sospensione. Il movimento della sospensione può essere dovuto alle irregolarità del terreno, o alle accelerazioni trasversali o longitudinali. Senza gli ammortizzatori, il movimento delle sospensioni continuerebbe ad aumentare, creando delle situazioni molto buffe. In termini di energia, l'ammortizzatore dissipa la maggior parte dell'energia associata al movimento della macchina, a differenza delle molle, che assorbono l'energia, ma poi la restituiscono. Si immagini una macchina priva di ammortizzatori in movimento su una superficie stradale iregolare. I continui impatti con le asperità farebbero rimbalzare vivacemente la sospensione, il che non è una buona cosa. Gli ammortizzatori assorbono l'energia in eccesso, e consentono ai pneumatici di rimanere a contatto col terreno quanto più possibile. Ciò suggerisce anche 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 po' più duro renderà più stabile la macchina, e rallenterà i movimenti sia di beccheggio che di rollio, dando alla macchina un comportamento meno nervoso. Si noti che l'ammortizzatore influenza solo la velocità con cui avvengono i movimenti di beccheggio e di rollio, non la loro entità. Quindi, se volete che la vostra macchina presenti meno rollio, 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, mentre una macchina con molle rigide ed ammortizzatori morbidi si riprenderà molto velocemente. 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. Così, 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, e molto dolce. Una macchina con molle rigide e ammortizzatori morbidi sarà molto reattiva: seguirà velocemente e aggressivamente la volontà del pilota.

Le asperità del terreno possono impedire di regolare le molle e gli ammortizzatori come si vorrebbe. Iregolarità piccole e in rapida successione richiedono molle e ammortizzatori morbidi. Questi, però, non possono essere utilizzati in caso di dossi improvvisi e di grandi dimensioni, perché il telaio impatterebbe troppo duramente col terreno, nel qual caso bisognerà optare per una regolazione più rigida. Su percorsi molto lisci si possono adottare regolazioni molto rigide sia per quanto riguarda le molle che per gli ammortizzatori.

Tuttavia, le cose non sono poi così semplici: persino nel caso dei semplici ammortizzatori utilizzati per le macchine radiocomandate, c'è differenza tra l'azione ammortizzatrice ad alta e a bassa velocità. Forse vale la pena di sottolineare che qui si parla della velocità del pistone rispetto al cilindro dell'ammortizzatore, e non della velocità della macchina. Nella maggior parte delle automobili reali se ne tiene conto per mezzo di una serie di valvole calibrate presenti nel pistone. In unità meno sofisticate, come quelle usate nei modelli R/C, la differenza tra le due situazioni dipende dalle proprietà intrinseche del fluido utilizzato.

L'unica cosa forse che gli appassionati di corse devono sapere di fluidodinamica, è che esistono fondamentalmente due tipi di moto con cui un fluido può muoversi: flusso laminare e flusso turbolento. Un flusso si dice laminare se le particelle del fluido si muovono su traiettorie parallele, secondo linee di flusso che non si intersecano mai. Un flusso laminare si ha di quando la velocità è bassa, la viscosità del fluido è alta e la superficie che lo circonda è liscia e non presenta brusche variazioni. Un flusso si dice turbolento se le particelle si muovono su traiettorie casuali, creando piccoli vortici. Il moto turbolento è favorito da alta velocità, bassa viscosità e superfici non liscie o con brusche variazioni. Un flusso turbolento richiede (o spreca, a seconda dei punti di vista) molta più energia di uno laminare, perché c'è molto più attrito interno tra le particelle del fluido. Inoltre, mentre per un flusso laminare la pressione (resistenza, nel caso di un ammortizzatore) è proporzionale alla velocità del fluido stesso, in un flusso turbolento è proporzionale al quadrato della velocità. La linea di demarcazione tra i due tipi di flusso non è netta, c'è un'ampia zona "grigia". Per predire se un flusso sarà laminare o turbolento, si utilizza una grandezza detta Numero di Reynolds. Il Numero di Reynolds è definito come

Re = D V / n

dove D è il diametro del tubo, V è la velocità del fluido, e n è la viscosità.

Se Re è minore di 2000, il flusso sarà molto probabilmente laminare, se è tra 2000 e 4000, sarà una via di mezzo tra i due, sopra 4000 il flusso sarà molto probabilmente turbolento.

piston

Si consideri ora un tipico ammortizzatore da R/C: si ha un olio di una data viscosità che passa ad una certa velocità attraverso dei fori di un dato diametro, praticati nel pistone. Un po' di olio fluisce all'esterno del pistone, quasi sempre con flusso laminare, dato che lo spazio è così ristretto, e genera molto attrito. per l'olio che passa attraverso i fori, invece, è difficile dire cosa succede. Quando la velocità del pistone è molto bassa sarà laminare, e quando è alta sarà turbolento. Il punto esatto di transizione tra i due tipi di flusso è difficile da prevedere teoricamente, ma è facile da rilevare in pratica: dato che la resistenza dell'ammortizzatore è proporzionale alla velocità con cui si muove il pistone finché il flusso è laminare, e improvvisamente al quadrato della velocità quando il flusso diventa turbolento, quando avviene il passaggio si ha la sensazione di un blocco idraulico, dato che la differenza di resistenza tra i due casi è di solito molto elevata. (In Inglese, N.d.T.) la transizione viene talvolta chiamata 'pack', perché la sensazione è come se l'ammortizzatore 'packs up'.

Questo effetto può essere sia utile che dannoso: può impedire alla macchina di colpire il terreno quando atterra da un salto, ma può anche far rimbalzare malamente la macchina quando passa su asperità brusche o irregolarità prese ad alta velocità. Quindi è veramente importante impostare correttamente questa regolazione.

Il modo di farlo è di scegliere opportunamente il tipo di pistone e di olio: dal punto di vista statico, la combinazione di un pistone con fori piccoli e olio fluido che quella di un pistone con fori grandi e olio viscoso si equivalgono, e la sensazione che si ha provando a muovere la macchina con la mano sarà la stessa. L'effetto sulla guida sarà lo stesso anche nei passaggi a bassa velocità, come nelle curve lente e su irregolarità a bassa frequenza. La vera differenza, tuttavia, si ha nel comportamento ad alta velocità: la prima combinazione andrà velocemente in blocco a causa della maggiore velocità dell'olio più fluido (a parità di tempo, deve passare la stessa quantità di olio attraverso fori più piccoli, quindi la velocità deve essere maggiore). La seconda combinazione, invece, sarà meno propensa alla turbolenza relativamente alta, a causa della maggior lentezza con cui scorre il fluido molto più viscoso. Per questo, si avrà turbolenza solo per velocità del pistone molto più alte, o addirittura non si verificherà per nulla.

Pe quanto detto, 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. Diversamente, se la pista è molto irregolare e piena di solchi, il blocco degli ammortizzatori farebbe rimbalzare la macchina, rendendola molto instabile. In questo caso, bisognerebbe orientarsi verso pistoni con fori grandi.

 

2.3 Centro di rollio

Non è facile predire la reazione della macchina quando viene sottoposta a sollecitazioni che vanno ad agire sulle ruote. Le forze possono essere assorbite, suddivise, convertite in un momento ecc. dai vari componenti delle sospensioni. Per evitare tutti questi dettagli, è possibile individuare il centro di rollio della macchina, e utilizzarlo per cercare di predirne il comportamento. Un centro di rollio è un punto immaginario nello spazio, si può considerare come il cardine virtuale attorno al quale la macchina ruota quando il telaio si inclina lateralmente in curva. E' come se gli elementi della sospensione forzassero il telaio a ruotare intorno a questo punto dello spazio.

Diamo prima un'occhiata alla teoria che c'è dietro. Il teorema di Kennedy dice che se tre oggetti sono incernierati tra loro, ci sono al massimo tre centri di rotazione, che sono sempre allineati tra loro, ossia giacciono su una stessa retta. Per comprendere cosa sia un centro di rotazione, si consideri l'analogia con i poli della Terra: al ruotare della Terra su se stessa, i poli rimangono fermi al loro posto. In altre parole, la terra ruota intorno all'asse immaginario che passa per i due poli. Ora, questa è un'analogia tridimensionale, mentre nel caso del centro di rollio, inizialmente ci bastano due dimensioni. Riassumendo, il centro di rotazione di un oggetto (o gruppo di oggetti) è come il centro della traiettoria circolare da esso (essi) descritta.

T3rearrear, schematic

Se consideriamo la sospensione di una tipica macchina radiocomandata, con un triangolo inferiore e un braccio superiore, vediamo che questo è un insieme di oggetti incernierati tra loro. Questi oggetti sono il telaio, il braccio superiore, il triangolo e il portamozzo. Per ora, consideriamo il portamozzo, il semiasse e la ruota come un unico oggetto. Dapprima, consideriamo il telaio, il braccio superiore e il portamozzo. Essi sono incernierati tra loro, quindi si applica il teorema di Kennedy. Il centro di rotazione relativa del braccio e del portamozzo è lo snodo a sfera che li collega, dato che è la cerniera attorno alla quale ruotano uno rispetto all'altro. Il centro di rotazione relativa tra il braccio e il telaio è a sua volta lo snodo a sfera che li collega. Quindi, considerando il telaio, il braccio superiore e il portamozzo, abbiamo già trovato due dei tre centri di rotazione. Il terzo centro di rotazione, se esiste, giacerà sulla retta immaginaria congiungente i primi due. Questa retta è tracciata in rosso nella prossima figura.

Lo stesso vale per la metà inferiore della sospensione: il centro di rotazione relativo tra il triangolo inferiore ed il portamozzo è il perno esterno, il centro di rotazione relativo tra il triangolo inferiore ed il telaio è il perno interno, quindi un eventuale terzo centro di rotazione deve giacere sulla retta che congiunge i primi due. Anche questa retta è tracciata in rosso. Se la vostra macchina utilizza snodi a sfera al posto dei perni, l'asse che passa per il centro delle due sfere costituisce un perno virtuale.

swing axle

Se le due rette rosse si intersecano, il centro di rotazione relativo tra l'insieme ruota/portamozzo ed il telaio è proprio il punto di intersezione I. Il punto I viene talvolta chiamato "cardine virtuale" o "centro (di rotazione) istantaneo"

La distanza tra il punto I e la mezzeria della ruota viene talvolta definita "lunghezza del braccio di oscillazione", è come se l'assieme ruota/portamozzo fosse attaccato ad un braccio oscillante immaginario che può ruotare incernierato nel punto I. Utilizzare un simile braccio oscillante sarebbe equivalente ad utilizzare la sospensione a trapezio, ma la realizzazione pratica di un tale sistema sarebbe assai problematica. In ogni caso, è una utile semplificazione. La lunghezza di questo braccio oscillante, insieme alla sua angolazione, determinano di quanto cambierà l'angolo di campanatura (camber) della ruota durante l'escursione della sospensione. Quanto maggiore è la lunghezza di questo braccio, tanto minore sarà la variazione della campanatura.

Se il braccio superiore e il triangolo inferiore sono paralleli, le due rette rosse non si intersecheranno, o, in altre parole, il punto di intersezione I è infinitamente lontano dalla macchina. Ma questo non è un problema: basta tracciare la retta verde della prossima figura parallela alle due rette rosse.

L'intersezione delle rette rosse dovrebbe sempre cadere dalla parte della macchina, rispetto alla mezzeria della ruota, altrimenti l'angolo di campanatura cambierà in modo bizzarro: passerà da negativo a positivo e poi di nuovo negativo, il che non ha un buon effetto dal punto di vista della trazione.

Anche la ruota e il terreno possono muoversi relativamente tra loro. Supponiamo che la ruota possa muoversi come incernierata al terreno nel punto di contatto, che normalmente è il centro della carcassa del pneumatico. Questo punto è il centro di rotazione relativo tra ruota e terreno. Per come è stato fatto il disegno, potrebbero nascere dei problemi quando il telaio si inclina lateralmente: anche le ruote potrebbero inclinarsi, e quindi il punto di contatto col terreno si sposterebbe specialmente nel caso di pneumatici a profilo quadrato, che non si deformano granché.

Ora possiamo applicare nuovamente il teorema di Kennedy: il terreno, la ruota e il telaio sono incernierati tra loro, abbiamo già trovato il centro di rotazione relativo tra ruota e terreno oltre a quello tra ruota e telaio. L'eventuale centro di rotazione relativo tra telaio e terreno deve giacere sulla retta che collega gli altri due centri di rotazione, che è tracciata in verde nella prossima figura.

wheel-chassis

La stessa procedura può essere seguita per l'altra metà della sospensione, come illustrato nella prossima figura. Di nuovo troviamo una retta verde, sulla quale deve giacere il centro di rotazione relativo tra terreno e telaio. Quindi, il centro di rotazione relativo tra terreno e telaio è proprio il punto di intersezione tra le due rette verdi (evidenziato in viola).

RC

Questo punto (viola), che è il centro di rotazione relativo tra telaio e terreno, viene anche detto il centro di rollio del telaio. Teoricamente, il terreno potrebbe ruotare attorno ad esso ed il telaio rimanere fermo, ma di solito accade il contrario: è il telaio a ruotare intorno ad esso mentre il terreno rimane fermo.

Il centro di rollio è l'unico punto nel quale potrebbe essere applicata una forza agente sul telaio, senza che questo ruoti.

Il centro di rollio si sposta qhando la sospensione viene compressa o estesa, e quindi in effetti è un centro istantaneo di rollio. Esso si sposta perché gli elementi della sospensione non si muovono di moti perfettamente circolari gli uni rispetto agli altri, per lo più i movimenti sono più complicati. Fortunatamente, ogni movimento può essere descritto come una serie infinita di segmenti di movimento circolare infinitamente corti. Quindi non è poi così importante che il telaio non si muova di un moto perfettamente circolare, lo si può vedere come se si muovesse di moto circolare attorno ad un punto centrale che a sua volta è sempre in movimento.

Volendo determinare il centro di rollio della macchina, si può procedere "a occhio" immaginando le linee ed i punti di intersezione, oppure si può prendere una grande foglio di carta e fare un disegno in scala delle sospensioni.

Ora che conosciamo la posizione del centro di rollio (RC), vediamo come essa influenzi il comportamento della macchina. Si immagini una macchina che percorre a velocità costante una traiettoria circolare a raggio costante. La macchina subisce una forza inerziale centrifuga, che tende ad allontanare la macchina verso l'esterno della curva, ma, dato che si trova in una situazione di equilibrio dinamico, ci dovrà essere una forza uguale e contraria che compensa la prima. Questa forza viene esercitata dai pneumatici grazie all'attrito col terreno.

turnin'

In linea di principio, la forza centrifuga agisce in ogni punto di ogni componente, ma se individuiamo il baricentro (CG) della macchina, è possibile sostituire a tutte le forzettine che agiscono su ogni singolo punto con una unica forza risultante, applicata nel baricentro. E' come se tutta la massa della macchina fosse concentrata nel baricentro (CG). Se questo è stato calcolato correttamente, le due rappresentazioni sono perfettamente equivalenti.

Le forze applicate ai pneumatici, d'altra parte, possono essere combinate in una unica forza equivalente, applicata al centro di rollio.

La situazione, vista dal retro della macchina, si può rapresentare così:

forces in CG and RC

Due forze uguali ed opposte, ma appicate in due punti differenti, generano una coppia pari al prodotto tra l'intensità della forza e la distanza tra i punti di applicazione. Quindi, quanto più distano i punti di applicazione, tanto maggiore sarà l'effetto torcente della coppia sul telaio. Questa distanza viene detta braccio di rollio ('roll moment' in figura N.d.T.). Si noti che si considera sempre la distanza verticale tra il baricentro ed il centro di rollio, dato che le forze agiscono sempre orizzontalmente.

roll moment

Il momento torcente generato dalla coppia di forze farà ruotare il telaio intorno al centro di rollio. Questo movimento si protrarrà finché la coppia generata dalle molle non sarà uguale e contraria. Gli ammortizzatori determinano la velocità con cui ciò avviene. Si noti che, almeno in questo esempio, la coppia dovuta alla forza centrifuga è costante, mentre ma coppia generata dalle molle aumenta con l'escursione della sospensione (vedi il paragrafo Le molle). E' la differenza tra le due coppie, la risultante, che causa la rotazione del telaio. Questa risultante decresce all'aumentare della coppia generata dalle molle, e quindi la velocità con cui il telaio si inclina diminuisce progressivamente, fino ad annullarsi quando le due coppie sono uguali e contrarie. Quindi, per una data rigidità delle molle, un braccio di rollio più grande farà inclinare molto il telaio nelle curve, mentre un braccio di rollio minore causerà un'inclinazione minore. Questo spiega anche perché un veicolo con un baricentro alto tende ad inclinarsi molto nelle curve, a volte fino a ribaltarsi.

Per questo, la lunghezza del braccio di rollio in ogni dato istante è una misura dell'entità della coppia che fa inclinare il telaio in curva.

Il problema, però, è più complicato. Infatti, la posizione del centro di rollio cambia quando la sospensione viene compressa o estesa, per lo più muovendosi nella stessa direzione in cui si muove il telaio. Quindi, se la sospensione viene compressa, normalmente il centro di rollio si abbassa.

animo: change of RCheights

Questa piccola animazione mostra come l'altezza del centro di rollio cambi con l'escursione della sospensione. Inoltre, anche il baricentro si sposta un po', dato che la posizione delle masse non sospese rispetto al telaio cambia a sua volta. Quindi, è piuttosto difficile dire se il braccio di rollio effettivamente aumenti o diminuisca.

Non solo, ma in curva, quando il telaio si inclina, il centro di rollio tipicamente si sposta rispetto alla mezzeria del telaio.

 

La maggior parte delle macchine radiocomandate permette di modificare la lunghezza e la posizione di aggancio del braccio superiore della sospensione, permettendo così di modificare le caratteristiche di rollio della macchina. Le generalizzazione che seguono dovrebbero essere applicabili nella maggio parte dei casi.

  • Se il braccio superiore della sospensione è parallelo al triangolo inferiore, il centro di rollio sarà molto basso quando la macchina viaggia all'altezza da terra nominale, per cui il telaio si inclinerà molto all'ingresso in curva.
  • Se il braccio superiore è inclinato verso il basso, il centro di rollio sarà più alto, quindi il braccio di rollio sarà minore, e questa estremità della macchina avrà un comportamento molto aggressivo nell'ingresso in curva.
  • Se il braccio superiore è molto lungo, il braccio di rollio avrà lunghezza pressocché costante all'inclinarsi del telaio. Questa estremità della macchina si inclinerà molto, ail limiti di escursione della sospensione. Se non si adotta un angolo di campanatura (camber) accentuato, i pneumatici potrebbero slittare a causa dell'eccessiva inclinazione positiva delle ruote (camber positivo).
  • Se il braccio superiore è corto, il braccio di rollio diminuirà molto all'inclinarsi del telaio, che quindi non si inclinerà molto.

Fino ad ora, abbiamo ignorato il fatto che in una macchina ci sono due sistemi di sospensioni indipendenti, ciascuno dei quali ha un proprio centro di rollio: uno all'avantreno ed uno al retrotreno. Dal momento che sono collegati tra lo mediante una struttura rigida, il telaio, si influenzeranno a vicenda. Qualcuno tende a trascurare questo fatto nell'effettuare le regolazioni, e comincia da un estremo senza considerare affatto come si comporta l'altro. Inutile dire che ciò può causare comportamenti anomali della macchina. Questi possono essere in parte mascherati da un telaio molto flessibile, ma siamo ben lontani da una soluzione ideale.

Comunque sia, l'avantreno è obbligato a ruotare intorno al centro di rollio anteriore, ed il retrotreno attorno a quello posteriore. Se il telaio è rigido, dovrà ruotare attorno alla retta che congiunge i due centri di rollio (viola) e questa retta viene detta asse di rollio (rosso).

roll axis

La posizione dell'asse di rollio rispetto al baricentro della macchina ha una grande influenza sul comportamento in curva della macchina. Se l'asse è inclinato in avanti, l'avantreno si inclinerà di più che il retrotreno, dando alla macchina un comportamento a "testa bassa" in curva. Dato che il braccio di rollio posteriore è minore di quello anteriore, il retrotreno non si inclinerà molto, e quindi il telaio rimarrà circa all'altezza nominale da terra. Si noti che se la sospensione ha un'escursione negativa (in estensione) molto limitata, il telaio si abbasserà di più quando si inclina. Con il muso basso e il retrotreno alto, le ruote anteriori sopporteranno una percentuale maggiore del peso della macchina, il che si traduce in maggior tenuta dei pneumatici anteriori, con conseguente effetto di sovrasterzo. Un asse di rollio inclinato verso il posteriore, invece, favorirà un comportamento sottosterzante. Si ricordi che la posizione dei centri di rollio è una condizione dinamica, quindi l'asse di rollio può in effetti cambiare inclinazione quando la macchina incontra delle sconnessioni del terreno o mentre percorre una curva. Così è possibile che si verifichi una condizione di sottosterzo all'ingresso in curva, quando il telaio è meno inclinato, che si tramuta in sovrasterzo a metà curva, quando il centro di rotazione anteriore si è abbassato di molto. Da questo esempio si capisce come le caratteristiche dei centri di rollio possano essere impostate in modo da soddisfare specifici requisiti di comportamento, posti dal pilota o dal circuito.

In generale, possiamo dire che l'angolo tra il braccio superiore e il triangolo inferiore determina la posizione del centro di rollio quando il telaio è nella posizione di riposo, e che la lunghezza del braccio superiore determina di quanto cambia l'altezza del centro di rollio con l'inclinazione del telaio. Un braccio superiore lungo e parallelo al triangolo farà sì che il centro di rollio sia molto in basso e rimanga tale durante le curve. Quindi, la macchina (o almeno questa estremità della macchina) si inclinerà parecchio in curva. Un braccio superiore molto corto e angolato verso il basso farà sì che il centro di rollio sia alto e rimanga tale quando il telaio si inclina. così, il telaio si inclinerà poco. Diversamente, un braccio superiore corto e parallelo al triangolo farà sì che il telaio tenda ad inclinarsi molto inizialmente, ma che via via che si inclina questa tendenza diminuisca. Così il telaio si inclinerà velocemente all'inizio, ma si fermerà presto. E un braccio lungo ed inclinato verso il basso ridurrà la tendenza del telaio ad inclinarsi inizialmente, ma questa tendenza no cambierà con l'aumentare dell'inclinazione.

In termini di comportamento della macchina, ciò significa che l'estremità che ha in condizioni normali il braccio superiore più inclinato (centro di rollio più alto) avrà la massima tenuta all'ingresso e all'uscita dalla curva, e che l'estremità che presenta il centro di rollio più basso, quando il telaio è inclinato al massimo, avrà la massima tenuta in centro curva. Quindi, se si desidera più sterzo a metà curva, conviene allungare un po' il braccio superiore dell'avantreno (ricordarsi di regolare poi la campanatura (camber)). Se si desidera più aggressività all'ingresso in curva, e più sterzo alle basse velocità, conviene o diminuire l'angolo del braccio superiore del retrotreno, oppure aumentare un po' l'angolo di quello anteriore.

A questo punto ci si chiederà: cosa è meglio, un centro di rollio alto o basso? Dipende tutto dalle altre parti della macchina e dal circuito. Una cosa è certa: su un circuito molto sconnesso, è meglio che il centro di rollio sia un po' più alto. Ciò impedirà alla macchina di ondeggiare da un lato all'altro quando incontra le asperità, e permetterà di utilizzare molle più morbide, che da parte loro permetteranno alle ruote di stare più a lungo in contatto col terreno sconnesso. Su piste lisce, si può adottare un centro di rollio molto basso, con molle molto rigide, per aumentare la reattività della macchina e la capacità di effettuare salti. Nel Capitolo 6 seguiranno ulteriori considerazioni.

 

2.4 L'anti-beccheggio (anti-squat)

Per anti-beccheggio si intende l'angolo della sospensione posteriore rispetto all'orizzontale. Lo scopo di questa inclinazione è di diminuire l'effetto di beccheggio (squat) quando la macchina accelera (Squatting è quando il retrotreno si abbassa durante l'accelerazione).

Più anti-beccheggio darà più "trazione di guida": ci sarà un carico maggiore sulle ruote posteriori durante le accelerazioni, soprattutto nei primi metri. Allo stesso tempo, aumenterà la direzionalità a pieno gas, dato che il retrotreno non si abbassa granché. Lo svantaggio è una tendenza all'instabilità all'ingresso in curva, specialmente al retrotreno. Ridurre l'angolo di anti-beccheggio ha l'effetto opposto: una direzionalità a pieno gas molto minore, e più trazione al posteriore quando l'accelerazione non è più massima. La macchina sarà anche molto più stabile all'inserimento in curva. C'è anche un effetto sulla capacità della macchina di effettuare i salti: più anti-beccheggio farà saltellare di più la macchina in accelerazione su terreno sconnesso, ma aumenterà la capacità della macchina di assorbire i colpi quando si toglie gas. Ridurre l'anti-beccheggio ha l'effetto opposto: migliora la capacità della macchina di assorbire i colpi in accelerazione, e la riduce quando si lascia il gas.

2.5 L'altezza da terra

Scegliere la corretta altezza da terra è importante: se troppo bassa, la macchina toccherà terra spesso, se troppo alta aumenta inutilmente il rischio di ribaltarsi in accelerazione. Scegliere un'altezza uguale all'avantreno e al retrotreno è un buon punto di partenza. Alzare o abbassare un'estremo ha effetto su comportamento di tutta la macchina: l'estremo più basso porta una percentuale leggermente maggiore del carico statico, ma, soprattutto, ha un centro di rollio più basso, così che quell'estremità della macchina si inclinerà di più in curva, abbassandolo ulteriormente, e avrà più tenuta di strada.

Non bisogna dimenticare, poi, che modificare l'altezza da terra vuol dire modificare anche l'ammontare della corsa negativa della sospensione, e ciò, come spiegato nel prossimo paragrafo, può avere serie conseguenze.

2.6 La corsa delle sospensioni

L'ampiezza dell'escursione negativa delle sospensioni (downtravel) di una macchina può avere grande effetto sul suo comportamento. Influenza sia la tendenza al rollio che quella al beccheggio del telaio.

In questa animazione, vediamo una macchina che ha un'ampia capacità di escursione negativa inclinarsi in curva. Il telaio è libero di inclinarsi, e l'altezza del baricentro non cambia di molto.

  animo: roll with lots of negative suspension travels

In quaet'altra animazione, invece, vediamo come si inclina in curva una macchina la cui sospensione non ha quasi corsa negativa. Il telaio viene spinto verso il basso nell'inclinarsi, abbassando in effetti il baricentro.

  animo: roll with not a lot of negative suspension travels

Quindi, l'estremità della macchina che avesse meno escursione negativa dell'altra, verrebbe abbassata in curva, aumentandone la tenuta, specialmente a metà curva quando il tasferimento di peso è massimo. Poca o nulla corsa negativa all'avantreno darà grande direzionalità, specialmente all'ingresso delle curve veloci, o nelle sterzate violente. Al retrotreno, poca o nulla corsa negativa aumenterà la trazione in ogni fase della curva.

Ma questo non è tutto: l'entità dell'escursione negativa ammessa dalla sospensione influenza anche il bilanciamento longitudinale della macchina, durante accelerazioni e frenate. Un'estremità con molta corsa negativa sarà in grado di alzarsi molto, e quindi beccheggio del telaio sarà più pronunciato e ci sarà maggior trasferimento di peso. Ad esempio: se l'avantreno ha una grande escursione negativa, si alzerà molto durante le accelerazioni violente, trasferendo molto peso sulle ruote posteriori. Così la macchina avrà scarsa direzionalità in accelerazione, ma molta trazione al retrotreno. Un'ampia escursione negativa ad entrambi gli estremi, combinata con molle morbide, può causare un eccessivo trasferimento di peso: sottosterzo in accelerazione e sovrasterzo in frenata. La cura è semplice: ridurre l'escursione negativa o usare molle più rigide.

Ci sono anche degli svantaggi nel limitare la corsa negativa delle sospensioni: la macchina toccherà facilmente terra, riducendo la capacità di affrontare le asperità del terreno ed i salti.

2.7 Le barre anti-rollio

anti-roll bars

Le barre anti-rollio sono come 'molle laterali': lavorano solo in senso trasversale. Il principio di funzionamento è il seguente: quando un lato della sospensione viene comprsso, quell'estremo della barra viene sollevato. Anche l'altro estremo della barra tenderà a sollevarsi, sollevando anche l'altro lato della sospensione, il che si tramuta in una resistenza al rollio del telaio. Con quanta forza, e di quanto, l'altro lato venga sollevato dipende dalla rigidità torsionale e dallo spessore della barra: una barra sottile si torcerà parecchio, e non solleverà molto l'altra estremità, permettendo al telaio di inclinarsi per quanto concesso dalla sospensione. Si noti che la barra viene sollecitata solo quando un'estremità è ad altezza diversa rispetto all'altra, come avviene in curva. Quando entrambe le estremità sono sollevate in pari misura, come durante una frenata, la barra è a riposo e non ha effetto. Per questo, le barre anti-rollio influenzano solo il bilanciamento trasversale della macchina, non quello longitudinale.

Va detto che le barre anti-rollio non sono l'unico elemento che determina la tendenza ad inclinarsi del telaio: esse lavorano insieme alle molle ed agli ammortizzatori. Si supponga di utilizzare una barra anti-rollio sul retrotreno, senza modificare nessun'altra regolazione. Quando la macchina entra in curva, il telaio comincia ad inclinarsi. Normalmente, la sospensione esterna si comprimerebbe, quella interna si estenderebbe e la ruota esterna sopporterebbe un carico molto maggiore. Con la barra anti-rollio, invece, anche la sospensione interna viene in qualche misura compressa, cosicché il telaio si inclina di meno, e il retrotreno rimane ad un'altezza inferiore al normale. In questo modo, il retrotreno sopporta un carico maggiore, e questo è distribuito più uniformemente tra le due ruote, la trazione aumenta ed è più costante. Si ricordi che ciò vale solo all'inserimento in curva, la situazione a metà curva è differente. Normalmente, senza la barra anti-rollio, il telaio smetterebbe di inclinarsi quando la molla esterna ha compensato completamente la coppia di rollio. Invece, con la barra anti-rollio, un po' di quella coppia viene compensata dalla sospensione interna, compressa tramite la barra anti-rollio. Se la sospensione esterna viene compressa meno del normale, il retrotreno ha un'altezza da terra maggiore del normale, riducendo il carico sopportato dal retrotreno e aumentando quello sull'avantreno. E' come se il retrotreno si fosse irrigidito un po', aumentando la direzionalità e diminuendo la trazione al posteriore. Questa, tuttavia, è più costante, dato che il peso è distribuito uniformemente tra le ruote posteriori. Tutto ciò non vale su terreni accidentati: le barre anti-rollio possono complicare notevolmente il comportamento della macchina in fuoristrada, e per questo sono utilizzate solo raramente su piste accidentate. Utilizzare una barra anti-rollio sull'avantreno ha effetti analoghi ma opposti: diminuisce la direzionalità, rendendola però più costante ed uniforme.

 

2.8 La posizione degli attacchi degli ammortizzatori
 

shock mounting locationss

La maggior parte delle macchine radiocomandate offre diverse posizioni per gli attacchi degli ammortizzatori, sia sul castello (area 1) che sul triangolo inferiore (area 3). Scegliendo la posizione degli attacchi si può modificare l'azione delle molle. La questione è come ciò modifichi il comportamento della macchina. Per comprenderlo, dobbiamo prima introdurre il concetto di costante elastica equivalente alla ruota.

La costante elastica equivalente alla ruota è la costante elastica che dovrebbe avere una molla collegata al centro della ruota, per dare la stessa rigidità della molla effettivamente utilizzata. Dopo tutto, è lì che è applicata la forza di trazione: alla ruota.

wheel rates

Con riferimento alla figura, la costante elastica equivalente alla ruota è definita come:

Costante elastica equivalente alla ruota = Costante elastica della molla (D1/D2)2 sin(a)

dove (D1/D2) è il rapporto di leveraggio, e 'a' è l'inclinazione dell'ammortizzatore. Questa formula ci dice due cose:

  1. Più è inclinato l'ammortizzatore, più morbida è la costante elastica equivalente alla ruota.
  2. Più vicino al telaio è l'estremo inferiore dell'ammortizzatore, più morbida è la costante elastica equivalente alla ruota.

Si noti che cambiando la posizione dell'attacco inferiore dell'ammortizzatore si modificano sia l'angolo dell'ammortizzatore che il rapporto di leveraggio, ma è quest'ultimo che ha di solito l'effetto maggiore. Ciò si rileva anche dalla formula: il rapporto di leveraggio vi compare al quadrato, mentre sin(a) no. Anche l'escursione della sospensione cambia, e con essa il comportamento della macchina.

Tra l'altro, l'inclinazione dell'ammortizzatore non è costante: aumenta con la compressione della sospensione. Qusto effetto è più pronunciato se gli ammortizzatori sono più inclinati, possiamo dire che, quanto più inclinati sono gli ammortizzatori, tanto più la molla avrà un comportamento progressivo. Perciò possiamo pensare di cambiare la posizione di attacco dell'ammortizzatore sul castello per regolare in modo fine le caratteristiche di molle e ammortizzatori, e per modificarne la progressività.

Si tenga comunque presente che ciò non è del tutto corretto: se il perno del triangolo inferiore non è allineato con la mezzeria della ruota, una frazione non trascurabile delle forze che agiscono sulla ruota viene trasmessa al telaio dal braccio superiore. ciononostante, l'approssimazione è molto buona.

Dal momento che l'inclinazione dell'ammortizzatore ne modifica la progressività, ne viene influenzata anche la velocità del pistone. Se l'ammortizzatore è inclinato (progressivo), la velocità del pistone aumenterà quando la sospensione viene compressa, mentre se l'ammortizzatore è quasi verticale (lineare), la velocità rimane praticamente costante. Ovviamente ciò cambia il punto di transizione dall'ammortizzazione "laminare" a quella "turbolenta". La transizione a regime turbolento si avrà prima quando l'ammortizzatore è vicino alla verticale, perché quando è invece inclinato, ci vuole un po' di tempo (e di compressione della sospensione) prima che il pistone raggiunga la stessa velocità. Quindi, inclinare gli ammortizzatori ha più o meno lo stesso effetto che usare un pistone con fori leggermente più grandi, e viceversa.

Personalmente trovo che cambiare la posizione dell'attacco inferiore dell'ammortizzatore sia un accorgimento comodo quando si voglia modificare l'escursione negativa della sospensione, senza cambiare la lunghezza dell'ammortizzatore stesso, o quando si cerca solo un piccolo aggiustamento della rigidità delle molle. Cambiare la posizione di attacco superiore è un aggiustamento molto delicato, io preferisco ricorrervi solo dopo aver regolato tutti gli altri parametri più importanti, ed il comportamento della macchina è già più o meno quello desiderato. E' particolarmente utile per cambiare il 'feeling' dell'inserimento in curva. Ora, non so se questo sia vero quando l'azione delle molle è molto progressiva, ma quanto più gli ammortizzatori sono verticali, tanto più diretta sarà la loro azione nell'inserimento in curva. Ad esempio: se gli ammortizzatori anteriori sono un po' inclinati, la macchina si inserirà in curva molto aggressivamente, sarà molto reattiva. Se quelli posteriori sono quasi verticali, e quelli anteriori sono più inclinati, la macchina non avrà molto inserimento in curva, ma avrà più direzionalità nel centro-curva, tenderà a 'raddrizzarla'. In qualche caso, il posteriore potrebbe cominciare a derapare. E' un effetto molto simile ad avere molle rigide o ammortizzatori duri: se le molle e gli ammortizzatori anteriori sono molto rigidi, la reazione iniziale all'inserimento in curva sarà molto forte. Nella parte centrale della curva, la macchina soffrirà probabilmente di sottosterzo, ma la reazione iniziale le dà un carattere 'reattivo'. Anche il centro di rollio ha questo effetto: un centro di rollio anteriore molto alto farà inserire la macchina in curva in modo molto aggressivo, ma darà sottosterzo in centro-curva. E' divertente se vi piace una macchina aggressiva che si può 'buttare a capofitto' nelle curve, ma dubito che sia la soluzione globalmnte più veloce. Viceversa, se il centro di rollio posteriore è molto alto, la macchina si inserirà in curva in modo molto dolce, e potrebbe tendere al sovrasterzo in centro-curva.

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$Revision: 1.4 $ $Date: 2000/08/22 19:46:12 $