Costruzione di autoveicoli - Sterzo

Tuttavia, essendo le due ruote anteriori libere di ruotare attorno ad un asse

verticale, è necessario connettere le due rotazioni affinchè la cinematica della

sterzatura sia corretta.

se nella marcia in curva le ruote sterzanti rimangono parallele, ovvero vengono

ruotate dello stesso angolo, i centri di curvatura non coincidono e il veicolo

striscia per avere un unico centro di istantanea rotazione senza strisciamento.

se, invece, la ruota esterna viene ruotata di un angolo più piccolo di quella

interna, allora questa percorre una traiettoria con un raggio di curvatura

maggiore. In particolare, la condizione che si vuole raggiungere è quella in cui

le curvature delle due ruote abbiano lo stesso centro.

Quindi la sterzatura corretta richiede che le ruote sterzanti siano ruotate di

angoli diversi, in modo tale che i centri di curvatura delle traiettorie coincidano

(così da non avere strisciamento), realizzando così quella che viene definita

“sterzatura cinematica corretta”. Tuttavia, ancora oggi non esiste un

meccanismo che consenta una sterzatura cinematicamente corretta per

qualsiasi curvatura della traiettoria.

Per far sì che io abbia una rotazione differenziale delle ruote si sono creati

alcuni cinematismi.

Un esempio di cinematismo di sterzo è il QUADRILATERO DI JEANTAUD, il quale

viene utilizzato per le sospensioni a ponte rigido

Il quadrilatero di Jeantaud è composto da:

Per capire il funzionamento di questo tipo di cinematismo facciamo riferimento

all’esempio seguente:

Prolungando le leve di accoppiamento si arriva a un punto d’incontro che nella

taratura di Jeantaud cade in corrispondenza dell’assale posteriore. (solo per

alcuni angoli di sterzo ovviamente) (nel caso di taratura differente sarà

spostato in avanti o indietro, dipende da gamma).

In questo modello, i parametri importanti sono:

senti minuto 25 lezione

Capiamo la cinematica. Definendo gli angoli di Akerman (delta 1 e delta2);

Abbiamo che δ1 generalmente è diverso da δ2 attraverso una serie di



passaggi matematici. Noi abbiamo quasi sempre un’errore di sterzatura = δ2-

l’angolo associato alla condizione di sterzatura cinematica. Solo per alcuni

raggi di curvatura l’errore di sterzatura è nullo e si realizza la sterzatura

cinematica. Per avere un errore minimo di sterzatura, devo operare su gamma

Calcolati sia δ1 che δ2, si può calcolare anche l’errore di sterzatura è dato dalla

differenza tra l’angolo di rotazione della ruota calcolato con il metodo

precedente e l’angolo di rotazione della ruota cinematica. L’errore di

sterzatura dovrebbe essere minimo così da avere un comportamento il più

possibile vicino a quello cinematico. Per farlo opero sul gamma.

Quindi importante ricordare che si garantisce cinematicamente sempre e solo

una condizione di sterzatura cinematica e poi abbiamo sempre un errore

dovuto al cinematismo stesso. In gergo si parla di angolo di Ackermann

Nonostante in passato siano stati fatti numerosi sforzi per minimizzare l’errore

di sterzatura, bisogna precisare che il rispetto delle condizioni cinematiche non

è poi così importante per ottenere un buon comportamento direzionale del

veicolo perché: la maggior parte delle sospensioni produce una sterzatura,

seppur modesta, per effetto del rollio, è sempre presente un angolo di deriva,

le ruote sono convergenti. In definitiva, le condizioni di Ackermann al più

minimizzano il consumo di battistrada, in quanto realizzano le condizioni in cui

nessuna ruota striscia

comportamento del cinematismo di sterzo:

Per i veicoli pesanti ed i mezzi agricoli la % di Ackermann è vicino al 100%

(garantire il minimo strisciamenti, vibrazioni) perché a causa del peso elevato e

della necessità di eseguire manovre a basse velocità con raggi di curvatura

δ

stretti, una bassa provocherebbe: eccessiva usura degli pneumatici,

%

generazione di carichi elevati a livello di sospensioni e telaio. Per le auto

sportive, dove la sterzatura dinamica è predominante (vado ad alte velocità, la

sterzatura cinematica la ho a basse velocità), l’utilizzo di Ackerman

negativo e sterzo parallelo risultato le condizioni migliori per non avere

instabilità.

Tendenzialmente le auto si sta compresi tra lo 0 e il 100% ma non c’è un vero

standard. Più grande del 100% di ackerman non si vede mai se non nelle auto

con 4 ruote sterzanti

Nei veicoli pesanti bisognerebbe avere un ackerman al 100%, nei veicoli leggeri

solo l’usura delle ruote alla fine senza andare a minimizzare l’errore in modo

puntiglioso.

L’errore di sterzatura è maggiore nel caso di trazione per l’elasticità dei tiranti.

Lo sterzo ha un moltiplicatore di coppia (con poca coppia applicata riesco a

girare le ruote e a vincere le forze che si oppongono), poi ci sono dei sistemi

chiamati ad asservimento che aiutano ad aumentare la coppia. Si parla del

rapporto di sterzo (angolo di sterzo del volante rispetto angolo di

sterzo delle ruote) (quando mettiamo in rapporto l’angolo del volante

rispetto l’angolo dello sterzo del veicolo). Svolgendo i conti si ottiene che

il raggio di curvatura per l’angolo di rotazione di sterzo è proporzionale al

passo. Macchine con passi piccoli hanno bisogno di un angolo di sterzo più

piccolo. (auto grandi hanno ruote che tendono a girare molto).

Considerando l’immagine sottostante, abbiamo una serie di vetture con

l’indicazione di quanto dobbiamo ruotare con lo sterzo per effettuare

cinematicamente una curva di 35 metri. Per le vetture normali si arriva a

60gradi. Per le auto molto sportive hanno degli angoli più alti (per la stessa

curva devo ruotare più volante). Questo per non avere maggiore stabilità ad

alte velocità e per il passo delle ruote (molto lungo nelle auto di lusso)

Tutte le auto tranne la smart hanno degli angoli molto alti (questo perché l’auto

è alta tendenzialmente rispetto alla lunghezza e per non rendere una macchina

instabile, devo girare tanto per fare una curva, per garantire più sicurezza).

Rapporti alti di sterzo danno uno sterzo poco diretto e leggero, adatto a vetture

in cui si privilegia il comfort (gran turismo comprese) oppure la marcia a

velocità estremamente elevate (es. Bugatti, McLaren). Vengono usati anche per

auto con sterzo manuale (senza servosterzo) nelle quali lo sforzo al volante

risulterebbe altrimenti eccessivo.

Rapporti bassi di sterzo vengono invece utilizzati sulle auto caratterizzate

sportivamente, ovvero concepite per offrire all’utente una guida gradevole, e

non necessariamente sportive dal punto di vista della performance (es. Mazda

MX-5, Alfa 156). Essi danno uno sterzo diretto: il guidatore percepisce l’auto

come “pronta” e maneggevole in quanto basta un movimento ridotto del

volante per cambiare traiettoria. La Smart costituisce un caso a sé: il rapporto

eccezionalmente alto impedisce al guidatore di sollecitare con sterzate violente

la stabilità della vettura, tendenzialmente critica dati il passo corto, la

ripartizione dei pesi sbilanciata al posteriore ed il baricentro alto.

Il rapporto sterzo nelle auto recenti è variabile (deve essere poco sensibile ad

alte velocità, e molto sensibile a basse). Il rapporto sterzo è dunque

confortevole e poco diretto per la marcia rettilinea (ad es. in autostrada, a

velocità elevate) e diventa più diretto e sportivo per la guida su strade tortuose

(ad es. in montagna), accentuando la sensazione di agilità e prontezza

trasmessa al guidatore.

SOLUZIONI COSTRUTTIVE

Per quanto riguarda il sistema di sterzatura, sono diverse le soluzioni

costruttive esistenti. Una di queste è la GUIDA A CREMAGLIERA, la quale,

oggigiorno, viene utilizzata praticamente su tutte le vetture

il pignone, impegnandosi nella cremagliera, ne provoca la traslazione

orizzontale; la cremagliera, a sua volta, muove le teste a sfere, le quali poi

comanderanno il cinematismo dello sterzo. Il meccanismo è molto semplice con

attrito ridotto. Il rapporto di trasmissione dello sterzo è limitato dal modulo

della dentatura. (lo sterzo tende ad essere molto diretto).

In base alla forma della cremagliera possiamo avere lo sterzo a

demoltiplicazione variabile.

Il C factor è l’inverso del rapporto di sterzo (al netto di qualche correzione). C

factor alti danno sterzi diretti.

GUIDA ROTOIDALE:

Oppure il classico sistema a parallelogramma con la scatola di guida che

diventa rotoidale. Io giro lo sterzo e muovo il parallelogramma di jeantoud (non

ho una cremagliera) Tra il volante e la scatola di guida abbiamo il volante, il

piantone, i giunti cardanici (per garantire l’omocenicità (non devo avere

fluttuazioni)). Nella scatola di guida rotoidale noi trasmettiamo direttamente la

rotazione in una scatola. Questa scatola trasmette il moto al parallelogramma

(soluzione superata). Altre scatole di guida possono essere a settore o a

ricircolo di sfere.

Asservimenti (aiuto ai sistemi di sterzo) del sistema sterzante:

Con asservimenti dello sterzo ci si riferisce a sistemi che assistono il

conducente nella sterzata, migliorando la manovrabilità del veicolo e riducendo

lo sforzo necessario per girare il volante.

Nei veicoli moderni, il servosterzo (idraulico o elettrico) aiuta a ridurre la forza

necessaria per girare il volante, soprattutto a basse velocità, come durante le

manovre di parcheggio. (di solito non si sterza mai da fermo per via dei

numerosi attriti per non sovraccaricare il sistema di servosterzo)

Alcuni sistemi di sterzo assistito variano la forza di assistenza in base alla

velocità del veicolo: a bassa velocità si predilige facilitare le manovre mentre

ad alta velocità si aumenta la stabilità e la precisione.

Il servosterzo può essere elettrico (migliore) con un motore elettrico che agisce

direttamente sulla cremagliera (consente di cambiare i parametri di sforzo via

software e di avere più flessibilità).

Negli ultimi anni lo sterzo ha conosciuto un’importante evoluzione con

l’introduzione del sistema di sterzatura completamente elettrico, noto come

steer-by-wire.

In questo sistema vengono eliminati i collegamenti meccanici tradizionali tra

volante e ruote: al loro posto troviamo un sensore di coppia e di rotazione

posto sotto lo sterzo, che rileva i movimenti del conducente e li invia a una

centralina elettronica di controllo (ECU).

La centralina elabora i segnali, comanda un motore elettrico che agisce

direttamente sulla cremagliera, e restituisce al guidatore una coppia di

reazione artificiale, simulando il feedback meccanico tipico dei sistemi

con