By Le sospensioni: cosa sono e cosa fanno (parte 1)
In questa serie di articoli andremo ad esplorare i concetti che sono alla base del funzionamento e dell’impiego delle sospensioni, facendo riferimento a diversi schemi costruttivi ed alcuni esempi applicativi. Si farà riferimento esclusivamente alle automobili, quindi a veicoli a quattro ruote, tralasciando le considerazioni riguardanti moto e veicoli a più assi o pesanti come camion o autotreni.
Cosa sono e il loro scopo
Le sospensioni sono l’organo di collegamento tra il corpo vettura, generalmente indicato col termine di massa sospesa, e le ruote, le quali permettono l’interazione col manto stradale. Queste ultime, assieme a mozzo, assali, freni e tutto ciò che sta sotto le sospensioni sono invece definite masse non sospese. Lo scopo principale delle sospensioni è quello di garantire costantemente il contatto delle ruote con la strada e di impedire che le forze scambiate tra pneumatico e terreno si scarichino interamente sulla cassa, generando vibrazioni e moti inaccettabili per i passeggeri del veicolo.
Si capisce quindi come dal loro comportamento derivino la stabilità della vettura e la sua tenuta di strada. Questi aspetti possono essere analizzati andando a considerare i parametri geometrici e dinamici che caratterizzano le sospensioni, di cui parleremo nel seguito.
Come sono fatte
Tralasciando alcune soluzioni che non rivestono più interesse per le automobili, sia da corsa che stradali, di oggi, in una sospensione sono sempre presenti i seguenti elementi, visibili nell’immagine sopra:
- una molla a spirale
- uno smorzatore (conosciuto come ammortizzatore)
- i bracci di collegamento tra porta-mozzo della ruota e telaio
Le molle
Le molle a spirale costituiscono l’elemento elastico vero e proprio della sospensione: queste consentono alla sospensione di generare una forza proporzionale alla compressione oppure estensione della molla stessa. La forza da queste generate dipende da alcuni fattori, come il numero di spire e il materiale di cui queste sono fatte. Per le applicazioni stradali, il numero di spire può variare tra 5 e 10, mentre i materiali sono generalmente acciai con un contenuto di carbonio che non supera il 1.1%, per mantenere buone caratteristiche di deformabilità, legato con elementi volti a migliorare le caratteristiche meccaniche e di resistenza a corrosione come silicio e manganese. Ad oggi si possono utilizzare anche materiali più leggeri come alluminio opportunamente alligato che permettono una riduzione del peso dell’assieme molla-smorzatore (5).
Le dimensioni variano a seconda del veicolo su cui saranno montate, stimando un carico che queste devono riuscire a sostenere data una certa compressione/elongazione della molla considerata ammissibile. Il passo della molla può variare da una spira all’altra, cioè si ha una molla a passo variabile: questo viene fatto per variare la rigidezza della molla e quindi avere ad esempio una variazione di lunghezza più contenuta con dei carichi più elevati. Regolando un anello posto sulla parte inferiore della molla ne si può variare il precarico, caratteristica desiderabile quando si vuole avere una molla più rigida, condizione spesso ricercata nel motorsport.
Il loro scopo è quello di mantenere una altezza da terra accettabile sotto le più svariate condizioni di carico, che siano queste interne (caricamento di persone o materiali sul veicolo) o esterne (le asperità della strada). Tuttavia, la risposta delle molle a queste variazioni è troppo repentina e quindi per evitare dei comportamenti anomali o inattesi si accoppiano ad esse degli smorzatori.
Gli smorzatori
Più conosciuti col nome di ammortizzatori, questi hanno lo scopo di introdurre delle dissipazioni di energia e quindi opporsi al moto relativo tra le masse sospesa e non sospesa. Il loro impiego è fondamentale per consentire una buona tenuta di strada e, come già accennato, la forza che sviluppano è proporzionale alla differenza tra le velocità dei corpi connessi. Il loro dimensionamento viene generalmente condotto con uno studio della risposta in frequenza delle masse sospese rispetto agli input della strada e quindi in modo da avere una buona attenuazione sia per le alte che per le basse frequenze (4).
Esistono due principali soluzioni costruttive: singola o doppia camera. Il funzionamento generale prevede che, quando sollecitati, l’olio contenuto in una camera passi attraverso delle sezioni ricavate sul pistone per andare nell’altra. Il passaggio non è immediato e il forzare il fluido a passare all’interno delle cavità dissipa energia. La differenza tra le due tipologie, osservabili in figura, è che nel doppia camera il gas in pressione è a contatto con l’olio, mentre nel singola camera sono separati. Questo implica che il singola camera può essere posizionato con qualsiasi orientamento, ma come svantaggio principale presenta ingombri maggiori.
Tipologie di ammortizzatore
A seconda del tipo di “fori” presenti sul pistone si possono avere degli smorzamenti semplici, dovuti al solo passaggio del fluido, o degli smorzamenti con valori di soglia. In questo ultimo caso si possono avere dei sistemi a molla che impediscono il passaggio del fluido fino ad un certo valore di forza prodotta che causa l’apertura delle sezioni. In generale, gli ammortizzatori mostrano un comportamento intermedio ai due: sono quindi anch’essi degli elementi non lineari.
Per ridurre l’ingombro della coppia molla-ammortizzatore, la soluzione costruttiva più comunemente adottata è quella che prevede ammortizzatore e molla concentrici, con il primo interno alla seconda. Una ralla connette superiormente i due componenti e consente il collegamento dell’assieme al telaio; la molla è collegata inferiormente allo stelo dell’ammortizzatore attraverso un elemento ad anello.
I bracci
L’assieme molla-smorzatore non potrebbe da solo mantenere l’assetto della vettura nonché la sua stabilità poiché caratterizzato da una rigidezza troppo bassa. Questo fatto consentirebbe alle varie parti di muoversi in maniera praticamente indipendente, entro certi limiti. Servono quindi degli elementi che impediscono ai punti dei vari componenti di allontanarsi o avvicinarsi senza vincoli e questo compito è demandato ai bracci delle sospensioni.
Questi possono essere intesi come dei corpi rigidi (rispetto ai componenti precedentemente presentati) le cui dimensioni possono essere considerate praticamente costanti. Generalmente questi collegano il porta-mozzo e il telaio e in questo modo impediscono che quest’ultimo possa muoversi su direzioni qualsiasi. Essendo poi molla e ammortizzatore collegate al porta-mozzo così vincolato, anche i loro spostamenti subiranno limitazioni correlate a quelle introdotte dal braccio.
Le soluzioni costruttive delle sospensioni influenzano enormemente il numero e la disposizione dei bracci. Le considerazioni che portano ad una o l’altra soluzione sono di tipo cinematico e dinamico, poiché una certa disposizione dei bracci produce un certo tipo di movimento del porta-mozzo che è l’elemento del quale in definitiva si vuole progettare il movimento.
Nel prossimo articolo andremo ad esplorare quali siano le grandezze caratteristiche del gruppo ruota, aspetti che permetteranno di capire le diverse soluzioni costruttive.
Riferimenti
- Catalogo sospensione Oelinhs Fiat 124 Spider
- User Manual Oehlins suspension
- Davide Scullino, Meccanica dell’Automobile, libri Sandit 2010
- Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, cap. 7 Sospensioni
- Lezioni del corso di Elementi Costruttivi delle Macchine, Tor Vergata Roma
