Ammortizzatori automobile

Dimensionamento e controllo degli ammortizzatori della Volkswagen Golf 7 GTD

Dipartimento di ingegneria e architettura

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Meccanica delle Vibrazioni

Professore: Chiar.mo Prof. Ing. Marco Amabili Cattani Simone

Matricola: 325641

A.A 2020/2021 1

Sommario

Capitolo 1: Gli ammortizzatori

1.1 Introduzione……………………..…………………………………………………………………………………………..3

1.2 Funzione dell’ammortizzatore………………………………………………………………………………………….5

1.3 Tipologie di ammortizzatori………..……………………………………………………………………………………6

1.3.1 Ammortizzatore monotubo………………..…………………………………………………………………………7

1.3.2 Ammortizzatore bitubo……………………………………………………………………………………………………8

1.4 Valvole…………………………………………………………………………………………..………………………………9

Capitolo 2: Golf 7 GTD

2.1 Caratteristiche del veicolo………………………………………………..……………………………………………10

2.2 Masse sospese e masse non sospese…………………………………….……………………………………11

2.3 Baricentro………………………………………………………………………………………………………………………12

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2.4 Centro di rollio………………………………………………………………………………………………………………12

Capitolo 3: Curve di smorzamento

3.1 Curve caratteristiche ammortizzatori……………………………………………………………………………15

3.2 Modello teorico di una sospensione……………………………………………………………………………17

3.3 Modelli di sospensioni…………………………………………………………………………………………………18

3.3.1 Sospensione passiva Single Mass…………………………………………………………………………………19

3.3.2 Sospensione attiva Single Mass………………………………..………………………………………………21

3.4 Sospensione attiva Double Mass…………………………………………………………………………………22

Capitolo 4: Rigidezze e smorzamenti

4.1 Calcolo delle rigidezze e degli smorzamenti…………………………………………………………………27

4.2 Calcolo delle forze agenti sulle sospensioni…………………………………………………………………31

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Capitolo 5: Controllo

5.1 Introduzione al controllo………………………………………………………………………………………..……33

5.2 Confronto fra sospensione attiva Double Mass e attiva Single Mass……………………….….34

5.2.1 Controllo sospensione attiva Single Mass…………………………………………………………………34

5.2.1.1 Stabilità Single Mass…………………………………………………………………………………………………39

5.2.2 Controllo sospensione attiva Double Mass…………………………………………………………………41

5.3 Forza di contatto……………………………………………………………………………………………………………45

5.4 Stabilità sospensione attiva Double Mass………………..………………………………………………46

Capitolo 6: Conclusioni

Capitolo 1: gli ammortizzatori

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Fig 1: 2.0 TSI GTI - 2.0 TDi GTD: RallyShop Italia, Vendita on-line, Sparco, Stilo, Sabelt, concessionario ufficiale

1.1 Introduzione

Gli ammortizzatori delle auto, che sono nel 100% dei casi 4, ovvero uno per ogni ruota, sono dispositivi pneumatici e/o idraulici, che hanno lo scopo di smorzare l'oscillazione o rallentare un movimento che può essere di compressione o estensione di una macchina in movimento mentre è in contatto con il fondo stradale.

Gli ammortizzatori, oltre ad assorbire le irregolarità del terreno, hanno anche il compito di isolare l’abitacolo dell’auto dalle sollecitazioni trasmesse dalle ruote; è importantissimo che la ruota rimanga sempre attaccata al terreno.

C’è da fare una piccola precisazione in quanto, molto spesso, si sente parlare di ammortizzatori e sospensioni come se fossero lo stesso dispositivo.

Le sospensioni servono per separare le masse sospese (carrozzeria, interni, motore) dell’auto da quelle non sospese (le gomme); sono fatte da componenti elastiche che collegano il telaio alle ruote e hanno il compito di assorbire le sollecitazioni provenienti dal terreno garantendo stabilità al veicolo e, di conseguenza, comfort e sicurezza a chi si trova nell’abitacolo. Ne esistono di vari tipi:

• Le più comuni sono quelle a molle elicoidali, realizzate con molle a elica operanti per compressione.

Fig 2 ECD Germany FF-029 Molla Autotelaio Molla Ammortizzatore Molla Sospensione Autotelaio Assale Posteriore Molla Elicoidale Molla di Sospensione Sospensioni a Molla per Auto: Amazon.it: Auto e Moto

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• Nelle sospensioni a barre di torsione il mezzo elastico è una barra che attraversa in larghezza il veicolo, sono rigide e utilizzate spesso sui blindati.

Fig 3 Barra Stabilizzatrice o Antirollio: Cos'è e Come Funziona - Quattroruote.it

• Le sospensioni idropneumatiche furono introdotte dalla Citroen negli anni ‘50. L’azione di una pompa idraulica permette di assorbire qualsiasi ostacolo mantenendo l’auto in assetto anche in curva.

Fig 4 Foto - Citroën: una nuova tecnologia per le sospensioni (alvolante.it)

Invece gli ammortizzatori sono una componente della sospensione e hanno il compito di regolarizzare e attenuare il suo movimento; essendo elastica, infatti, potrebbe subire forti sbalzi specie quando torna al suo stato iniziale dopo una sollecitazione.

Senza gli ammortizzatori le gomme, presa una buca profonda, rischierebbero di staccarsi da terra. Le molle delle sospensioni, dopo aver ricevuto una sollecitazione, tendono a tornare allo stato iniziale in modo alquanto brusco e, senza l’ausilio degli ammortizzatori, renderebbero la guida tutt’altro che fluida.

Gli elementi principali che costituiscono una sospensione sono:

• Bracci rigidi, collegano ruota e cassa, riducendone i gradi di libertà relativi;
• Barra antirollio, influenza la ripartizione del trasferimento di carico laterale tra avantreno e retrotreno;
• Ammortizzatore elemento smorzante;
• Tassello in gomma, filtra tutte le vibrazioni che potrebbero essere trasmesse dall'ammortizzatore alla scocca;

Quindi, come sono fatti?

Gli ammortizzatori sono costituiti da due camere cilindriche una dentro l’altra e da un pistone (solidale con uno stelo collegato alla scocca dell’auto) che scorre nella camera più interna che è piena di un olio, meglio detto ‘fluido idraulico’.

L’olio, grazie alla sua viscosità ed al calibro dei fori che collegano la camera interna con quella più esterna, esercita una considerevole resistenza sul pistone, che consente a quest’ultimo di attenuare le sollecitazioni provenienti dalle ruote.

Quando la ruota si abbassa o si solleva in seguito ad una buca o a un dosso, l’ammortizzatore si allunga o si comprime, costringendo l’olio in esso contenuto a passare fra le due camere, sottoponendo il pistone ad una forte 6 resistenza, che ne rallenta il movimento, rendendolo più graduale.

L’ammortizzatore funziona come un vero e proprio “freno idraulico” che rallenta il rimbalzo delle molle.

Fig 5 Ammortizzatori: ricambi auto originali | MISTER AUTO (mister-auto.it)

1.2 Funzione dell’ammortizzatore

La funzione dell’ammortizzatore è quella di assorbire e smorzare il rimbalzo/oscillazione della sospensione che proviene dalla ruota del nostro mezzo: devo quindi rallentare il suo movimento di compressione ed estensione.

Per fare ciò, l’ammortizzatore deve assorbire e dissipare l'energia che viene impressa o sprigionata dalla sospensione.

Nel momento in cui il veicolo incontra le irregolarità del terreno, la ruota si solleva e la molla dell’ammortizzatore si comprime immagazzinando energia; in seconda fase, l’elemento elastico si andrà poi ad estendere. Il processo continua con un andamento ondulatorio, fino a quando gli attriti lo fanno terminare.

In fase di progettazione o quando andiamo a scegliere un ammortizzatore, bisogna tener conto dell'energia che verrà convertita in calore provocando un riscaldamento del fluido viscoso contenuto in cilindri idraulici, come nel caso delle sospensioni idrauliche.

L’ammortizzatore andrà a controllare e smorzare questo tipo di oscillazioni. Ma quali sono le sollecitazioni che agiscono sul veicolo? Sono di due tipi:

• Dovute dal fondo stradale: il comportamento dell’ammortizzatore è “passivo”, in quanto assorbe le sollecitazioni causate dalle non linearità del terreno garantisco così il giusto comfort;
• Dovute dalle condizioni di marcia: le caratteristiche di smorzamento condizionano il movimento del veicolo riduco le accelerazioni della massa non sospesa in corrispondenza delle frequenze di risonanza.

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1.3 Tipologie di ammortizzatori

Al giorno d’oggi, vengono utilizzati prevalentemente questi tipi di ammortizzatori sulle auto:

• Ammortizzatore idraulico: caratteristica principale è l’avere un fluido all’interno del cilindro che è un liquido, più comunemente dell’olio. Può essere a singolo effetto dove il fluido entra da una sola estremità e spinge in fuori lo stelo, o a doppio effetto, cioè può essere mosso nei due versi lungo il suo asse avendo così il completo controllo dell'organo meccanico. L’effetto smorzante è ottenuto dalla resistenza della naturale viscosità dell’olio, premuto da un pistone scorrevole. Il forzato passaggio dell’olio attraverso delle strozzature trasforma l’energia cinetica dovuta al movimento del pistone in calore che verrà assorbito dall’olio stesso e trasmesso al corpo dell’ammortizzatore. Modificando le dimensioni dei passaggi calibrati si può variare l’entità del freno idraulico, ottenendo differenti valori di smorzamento in compressione e in estensione. È composto da un fodero e uno stelo, il quale entrando e uscendo modifica il volume interno dell'ammortizzatore; per questo motivo il contenuto dell'ammortizzatore non può essere di solo olio, ma deve essere presente anche un volume comprimibile che può essere aria o azoto. Gli ammortizzatori idraulici possono essere monotubo o bitubo. La differenza tra le due tipologie consiste in come viene compensata la variazione di volume dovuta al movimento del pistone.

Fig 6 Smorzatori, deceleratori, ammortizzatori Ammortizzatori - Vapsint

• Ammortizzatore pneumatico, all’interno del cilindro si trova un gas; quest’ultimo, durante la compressione o l’estensione, scorre attraverso un orifizio. Questo modello è tipicamente utilizzato per mantenere in posizione il portellone del baule quando viene aperto.

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Fig 7 Ammortizzatore pneumatico SX BMW Serie 7 E65 E66 E67 - AS-2978 (crserviceautoricambi.com)

1.3.1 Ammortizzatore monotubo

Una particolare configurazione del sistema sospensivo, che ritroviamo principalmente in ambito sportivo o comunque alto-prestazionale, è l’ammortizzatore monotubo a gas e l’estensione bitubo, che verrà presa in esame successivamente. Ma come funziona e quali sono gli elementi da cui è composto?

Fig 8 Ammortizzatore monotubo precaricato azoto-olio con Piggy-Back regolabili 4 vie 55 click – Herero4×4.it (herero4x4.it)

Questo tipo di ammortizzatore a doppio effetto è costituito da un corpo cilindrico (10), realizzato da un solo tubo, all’interno del quale uno stantuffo (2), dotato di fori calibrati (5) e valvole che regolano il passaggio dell’olio (8 e 9), divide il corpo cilindrico nella camera superiore e nella camera inferiore.

All’interno del corpo cilindrico, nella parte opposta dello stelo, è collocato uno stantuffo mobile separatore (6), che separa l’ambiente contenente olio dall’ambiente contenete gas in pressione (3), di solito viene usato l’azoto a pressioni tra i 20 e i 30 bar.

Durante la corsa di compressione lo stantuffo viene frenato per effetto della resistenza incontrata dall’olio nel passare dalla camera superiore a quella inferiore.

L’olio è spinto a laminare nelle valvole calibrate, e talvolta regolabili in funzione del layout dei costruttori.

L’olio penetra nei fori dello stantuffo (5) e apre le valvole di compressione (9).

Per via della presenza dello stelo, il Fig 9 Ammortizzatore monotubo a gas e panoramica generale (vehiclecue.it) 9 volume spazzato dallo stantuffo nella camera superiore è maggiore del volume messo a disposizione nella camera inferiore; dunque, una parte dell’olio spinge verso l’alto il pistone separatore compensando in tal modo la differenza dei volumi, con conseguente compressione del cuscino di gas.

Nella fase di estensione l’olio passa dalla camera inferiore a quella superiore e, analogamente alla fase di compressione, lo stantuffo è frenato nella sua corsa verso il basso dalla resistenza incontrata dall’olio nell’attraversare i fori e nell’aprire le valvo