Autocross Italia Driving School.
Tecnica - Cenni sulle geometrie di telaio e sospensioni

Prendendo spunto da un vecchio articolo di autosprint ho voluto scrivere due righe su telaio e sospensioni, tanto per inquadrare meglio i termini e le geometrie base nella costruzione di una vettura autocross, in particolare per quanto riguarda i prototipi tubolari monoposto, riprendendo un po' i concetti già espressi nelle divagazioni sulla dinamica del veicolo.

Le vetture autocross adottano preferibilmente un sistema di sospensione indipendente su tutte e quattro le ruote. Ogni ruota è collegata al telaio preferibilmente mediante tiranterie proprie, per cui la sua rotazione  non influisce sul moto delle altre. La funzione principale delle sospensioni è quella di ampliare l’area di contatto del pneumatico per migliorare la trazione e tenuta. I componenti base delle sospensioni sono montanti, tiranti, puntoni, molle e ammortizzatori.

TRASFERIMENTO DEI PESI

Un fattore importante che influisce sulla progettazione dello sterzo e delle sospensioni di una monoposto è il comportamento della vettura sotto l’azione delle forze generate in curva, in accelerazione e in frenata. L’azione di queste forze produce un trasferimento dei pesi che bisogna contrastare. In accelerazione e in frenata si genera un momento torcente che agisce in prossimità del centro di gravità della vettura (o centro teorico di concentrazione della massa). Il momento torcente provoca una variazione del carico sulle ruote, con trasferimento del peso dall’avantreno al retrotreno o viceversa. A velocità costante, la distribuzione del peso può essere (per i prototipi) del 60% sul retrotreno e del 40% sull’avantreno, ma qui si possono registrare variazioni notevoli nel caso di brusche accelerazioni o frenate. In curva si genera un momento torcente che agisce lungo un’asse, che forma il centro di rollio. La posizione del centro di rollìo dipende dalla geometria delle sospensioni. Il valore dei momenti generati sui pneumatici di sinistra e di destra dipende inoltre  dalle caratteristiche dei pneumatici e dall’angolo di deriva.

Ogni pneumatico ha un proprio angolo di deriva (l’angolo che si forma tra il piano di rotazione e la direzione del moto, per lo sviluppo della forza laterale in curva). Il sovrasterzo deriva dal fatto che i pneumatici posteriori hanno un angolo di deriva maggiore di quelli anteriori, per cui la macchina tende a tirare verso l’esterno. Il sottosterzo è l’effetto opposto. In questi casi si può avere una perdita di controllo della vettura. Per assurdo, il modo migliore di affrontare una curva è in folle, condizione in cui sia le ruote anteriori che posteriori hanno il medesimo angolo di deriva. In pratica, è il pilota che decide sulla base della propria sensibilità il tipo di effetto sterzante preferito.

STERZO

Tutte le vetture vengono pilotate indirizzando le ruote anteriori nella direzione voluta. Quasi universale è il comando a pignone e cremagliera ma esistono anche altri meccanismi. La sterzata di una vettura (al pari delle sospensioni) dipende da diversi parametri, quali camber, accorgimenti antibeccheggio e anticabrata, convergenza e divergenza, incidenza e inclinazione del perno di sterzaggio.

MOLLE

Sono molto diffuse le molle elicoidali per il supporto dei tiranti delle sospensioni e dell’insieme delle ruote. La funzione della molla è di assorbire e trattenere l’energia quando viene sollecitata. Se le sospensioni fossero composte unicamente di tiranti e molle si verrà a creare un moto armonico ogni volta che le ruote affrontano le irregolarità della pista. Questo effetto indesiderato provocherebbe un molleggio incontrollabile della vettura, per ovviare al quale si ricorre all’uso degli ammortizzatori telescopici. 

CAMBER

Col termine camber si intende lo scostamento della ruota dalla verticale, e il valore di questo scostamento è detto angolo di camber.

Le ruote possono avere qualsiasi camber, da negativo a positivo. Di solito, comunque, le  vetture hanno un piccolo angolo di camber iniziale su tutte le ruote per accrescere la velocità in curva, effetto risultante dalla maggiore aderenza al fondo della pista durante gli sbalzi delle sospensioni e il rollio del telaio. Se l’angolo di camber viene regolato su valori troppo alti si ha un consumo eccessivo dei pneumatici e una scarsa aderenza. L’angolo di camber si può variare agendo sulla lunghezza dei tiranti della sospensione o regolando la posizione degli attacchi al telaio.

MECCANISMO ANTIAFFONDAMENTO E ANTICABRATA

Il comportamento delle vetture è molto dinamico. Accelerazioni improvvise con ammasso di carichi addizioni sulle ruote posteriori, e brusche frenate, con spostamento dei carichi sulle ruote anteriori, si susseguono nel volgere di pochi istanti. Il meccanismo antibeccheggio e anticabrata è incorporato nella geometria del veicolo in modo tale da ridurre al minimo l’effetto del trasferimento dei carichi durante le accelerazioni e le frenate. Il meccanismo antibeccheggio fa parte della sospensione anteriore; i tiranti sono fissati in posizione un po’ più alta verso il retro delle ruote anteriori. Il meccanismo anticabrata fa parte della sospensione posteriore, che risulta montata in posizione più elevata verso la parte frontale delle ruote posteriori.

INCIDENZA

Un altro parametro che influisce sulla stabilità della vettura è l’incidenza, o angolo di incidenza (caster angle). L’incidenza inoltre influisce sulla guida permettendo il rientro del volante dopo le curve e influisce sul comportamento della vettura in curva. Osservando le sospensioni lateralmente, l’angolo di incidenza è quello che si viene a formare tra il prolungamento dell’asse del perno di sterzaggio e la verticale passante per il centro della ruota.  Un valore eccessivo dell’angolo di incidenza può provocare una pericolosissima instabilità delle ruote e perciò nella maggior parte delle vetture esso viene solitamente impostato su 2 gradi. Per regolarlo, si dovrà variare la posizione dei tiranti superiori o inferiori della sospensione.

Per capire su cosa influisce questo parametro è sufficiente sterzare completamente le ruote di una qualsiasi vettura di serie. Dalla situazione iniziale a ruote dritte perfettamente (o quasi) perpendicolari al terreno, a ruote sterzate si noterà come la ruota di sinistra (se si sterza a destra) abbia un camber negativo e quella interna uno positivo. In questo modo, dato che la vettura si corica verso l'esterno si avrà un camber negativo quando serve veramente e cioè solo in curva. In sostanza la vettura si corica e insieme a essa le ruote che quindi rimangono verticali al terreno e offrono la maggiora superficie di contatto possibile. Il difficile sarà quindi capire quanto dovrà essere l'angolo di caster in modo tale da ottimizzare il comportamento in ogni situazione.

Il rovescio della medaglia stà nel fatto che, se la vettura dovesse trovarsi a curvare su un terreno particolarmente accidentato, il camber della vettura cambierebbe ad ogni buca (più la sospensione affonda e più il camber cambia) rendendo la vettura particolarmente difficile da guidare poiché ad ogni istante avrebbe una tenuta differente. Per questo è meglio non esagerare mai con il caster stesso.

CONVERGENZA

Per migliorare la stabilità e ridurre il sovrasterzo le ruote, sia anteriori che posteriori, non sono esattamente parallele. Convergenza è il termine usato per descrivere la disposizione verso l’interno delle ruote, mentre divergenza descrive la disposizione verso l’esterno in relazione al moto rettilineo della vettura. La convergenza si usa comunemente per le ruote anteriori e il suo valore varia da macchina a macchina in quanto dipende dalle caratteristiche dei pneumatici e dalla maneggevolezza della vettura. Normalmente, per entrambe le ruote anteriori questo valore è di un grado. La divergenza si usa sovente per le ruote posteriori per compensare alcuni degli effetti di sovrasterzo prodotti dal carico del motore sul retrotreno. Convergenza e divergenza si possono modificare variando la lunghezza dei tiranti della sospensioni.

Nella pratica su cosa infuisce questo parametro? Per capire analizziamo le seguenti figure:

Nel primo caso supponiamo di aver assettato la vettura con un angolo di convergenza della ruote anteriori negativa (Toe Out). In fase di inserimento di curva le ruote appoggiano sul terreno sopportando ciascuna il peso che subiscono nella marcia in rettilineo. Come si può notare la ruota interna che rimane più sterzata andrà ad "aiutare" la prima. Inoltre il fatto che la stessa ruota esterna si trova a percorrere un raggio di curva più ampio (come si nota in figura) e quella interna più stretto è facilitato da questa configurazione di convergenza positiva. 

Nel secondo caso si supponga di avere convergenza positiva (Toe in). Si nota chiaramente come la ruota interna deve "lottare" con l'esterna che tenta di non far fare alla vettura la curva. Questo comportamento genererà quindi sottosterzo in entrata di curva.

Se la nostra vettura manifesta una certa "pigrizia" nell'entrare in curva e, invece, durante la percorrenza della stessa non si rilevano grossi problemi, allora si dovrà agire sulla convergenza. 

Va sottolineato che quando oramai la vettura è in fase "stabile" di percorrenza della curva la ruota esterna risulterà caricata maggioramente di quella interna a causa della forza centrifuga che si fa a scaricare su di essa e in questo caso la convergenza non potrà portare a molti benefici dal momento che la ruota interna non influirà più molto sul comportamento.

Esagerando con la convergenza negativa davanti si andrà in contro a instabilità in rettilineo all'avantreno e le modifiche andranno fatte senza mai eccedere. Invece se si avessero problemi di stabilità del retrotreno in rettilineo basterebbe agire sulla sua convergenza (in questo caso dovrà essere negativa).

ANGOLO DEL PERNO DI STERZAGGIO

L’angolo del perno di sterzaggio viene usato quale aiuto alla sterzata e per mantenere la stabilità direzionale. Gli angoli non sono mai eccessivi perché tendono ad incidere sul camber e a ridurre l’area di contatto del pneumatico col suolo. Il comportamento è molto simile a quello introdotto a proposito dell'angolo di caster.

CENTRO DI ROLLIO (Roll Center, RC)

Può essere definito come il punto immaginario attorno al quale la macchina ruota (o "rolla") quando si esegue la curva. I centri di rollio anteriore e posteriore sono differenti e possono essere anche usati per migliorare il comportamento in curva.

Per prima cosa va determinata l'altezza del centro di rollio.Guardando la vettura da davanti (o dietro per le sospensioni posteriori) vanno tracciate le linee immaginarie di prolungamento dei bracci dei triangoli delle sospensioni e di seguito procedere come in figura. Si nota che il centro di rollio si potrà trovare sopra il piano di appoggio delle ruote, sul piano o sotto.

Quando la vettura entra in curva e la sospensione si muove, il centro di rollio si sposterà in alto o in basso e quindi per ogni possibile situazione si potrà far solamente un stima della sua effettiva posizione.

Ora che sappiamo come si trova, come influisce sul comportamento della monoposto? Il fattore più importante da considerare è la distanza fra il centro di rollio (RC) e il centro di gravità (CG) che è il punto immaginario nel quale si può immaginare concentrato l'intero peso della monoposto. Più la vettura è bassa e più (mediamente) il CG si trova in basso. Più questi due punti sono distanti e più la forza laterale (forza centrifuga) avrà effetto sulle sospensioni (maggior rollio) e minore capacità delle sospensioni di contrastarlo.

Teoricamente si potrebbe avere il Centro di Gravità sotto il Centro di Rollio. La vettura in questo caso estremo si inclinerebbe in curva come le motociclette e cioè coricata verso l'interno anziché verso l'esterno, cosa assolutamente da evitare perché peggiorerebbe notevolmente la tenuta bloccando in pratica le sospensioni in curva.

• Come impostare il giusto centro di rollio e come sfruttarlo per migliorare la tenuta?

Se  si abbassa davanti la vettura di 1mm (agendo, per esempio, sulle ghiere di registrazione delle molle), il centro di rollio cambierà posizione. Probabilmente qualcuno avrà sentito da qualche meccanico che in questo caso si avrà più peso sull'avantreno e un maggior grip. In realtà quello che accade è che se si abbassa l'avantreno il centro di rollio si allontana dal centro di gravità, le sospensioni riescono a contrastare meno il rollio, con lo stesso effetto che si ha ammorbidendo le sospensioni anteriori. Ricordiamo che una sospensione morbida determina una maggiore tenuta in curva poiché "si adatta" meglio al terreno, naturalmente a scapito della stabilità e della guidabilità.

Si può quindi concludere che se si ha sottosterzo è possibile, modificando altezza da terra oppure i punti di attacco delle sospensioni sul telaio, aumentare il grip sul quell'asse, senza avere ripercussioni sul comportamento in rettilineo o in entrata di curva, in quanto la durezza delle molle non è stata variata.

Inoltre, sempre per quanto riguarda i punti di attacco delle sospensioni,  più il triangolo superiore della stessa è corto, oppure più tende ad essere verticale (meglio: meno orizzontale) più la vettura in condizioni di rollio aumenterà il camber, con un effetto simile a quello dell'angolo di caster. Questo effetto è chiaramente visibile se si riuscisse a portare "a tampone" la sospensione schiacciandola da fermo.