Riassunto completo esame "Meccanica del veicolo"

Sospensioni a Triangoli - Sommario

SOMMARIO

INTRODUZIONE 3

1 GENERALITÀ SULLE SOSPENSIONI 4

1.1 D 4

EFINIZIONE DI SOSPENSIONE E MOTI CARATTERISTICI

1.2 T 7

IPOLOGIE COSTRUTTIVE

1.3 D 9

ESCRIZIONE DELLA SOSPENSIONE A TRIANGOLI

1.3.1 B 11

ARRA ANTIROLLIO

1.3.2 S 13

CHEMA PIANO

1.3.3 A A 14

NGOLO DI CKERMANN

1.4 P 17

ROGETTO CINEMATICO DELLA SOSPENSIONE

2 ANALISI DI UN METODO DI CALCOLO AUTOMATICO PER LA

CINEMATICA DELLE SOSPENSIONI 19

2.1 II SOSP 19

PROGRAMMA DI ANALISI NUMERICA

2.2 M 19

ATRICE DI TRASFORMAZIONE

2.3 T . C

RIANGOLO RUOTANTE NELLO SPAZIO INTORNO AD UN SUO LATO ONVENZIONI E

21

SISTEMA DI RIFERIMENTO

2.4 P

OSIZIONAMENTO DI UN TRIANGOLO A DISTANZA ASSEGNATA DA UN PUNTO FISSO 23

NELLO SPAZIO

2.5 S CHEMA EQUIVALENTE DELTA SOSPENSIONE SECONDO IL PROGRAMMA DI ANALISI

SOSP - 23

NUMERICA ALGORITMO DI CHIUSURA

3 PARAMETRI DIASSETTO 29

3.1 I 29

NTRODUZIONE

3.2 A 29

LTEZZA DA TERRA

3.3 S 30

EMICARREGGIATA

3.4 A C 31

NGOLO DI ASTER

3.5 A K -P 33

NGOLO DI ING IN

3.6 A C C 34

NGOLO DI AMBER O DI AMPANATURA

Corso di Meccanica del Veicolo 1

Sospensioni a Triangoli - Sommario

3.7 A C 41

NGOLO DI ONVERGENZA

3.8 A 43

LTEZZA DEL CENTRO DI ROLLIO

4 RILIEVO CARATTERISTICHE DIMENSIONALI DELLE SOSPENSIONI: UN

CASO REALE 49

4.1 B 49

REVE DESCRIZIONE DELLA VETTURA

4.2 D 50

ESCRIZIONE DELLA SOSPENSIONE ANTERIORE

4.3 D 51

ESCRIZIONE DELLA SOSPENSIONE POSTERIORE

4.4 S 52

ISTEMA DI RIFERIMENTO

4.5 M 53

ISURA DEI PUNTI E DEGLI ELEMENTI COSTITUENTI LE SOSPENSIONI

4.6 S 54

OSPENSIONE ANTERIORE

4.6.1 V R S A 55

ALORI EALI OSPENSIONE NTERIORE

4.7 S 59

OSPENSIONE POSTERIORE

4.7.1 V R S P 60

ALORI EALI OSPENSIONE OSTERIORE

5 ANALISI DEL COMPORTAMENTO CINEMATICO DELLE SOSPENSIONI 61

5.1 G 61

ENERALITÀ

5.2 S - T 62

OSPENSIONE ANTERIORE ABELLE E GRAFICI

5.3 S - T 73

OSPENSIONE POSTERIORE ABELLE E GRAFICI

6 CONSIDERAZIONI FINALI 84

6.1 G 84

ENERALITÀ

6.2 R C 87

ECUPERO DI AMBER

6.3 R 88

ECUPERO DI CARREGGIATA

6.4 R 88

ECUPERO DI CONVERGENZA

6.5 R 88

ECUPERO DEL CENTRO DI ROLLIO

6.6 R 90

APPORTO DI BILANCIERE

7 BIBLIOGRAFIA 92

Corso di Meccanica del Veicolo 2

Sospensioni a Triangoli - Introduzione

INTRODUZIONE

Il settore tecnico delle vetture da competizione, e quindi anche quello

delle loro sospensioni, è un campo sostanzialmente privo di bibliografia:

Costruttori ed Tecnici, per il carattere fortemente competitivo della loro

attività, tendono a non divulgare le proprie conoscenze. Le recensioni in

materia sono limitate ad esperienze di Scuderia e pertanto non escono

dalla stessa.

Il presente lavoro analizza il comportamento cinematico delle sospensioni

di una vettura di Formula monomarca. Obbiettivo dello studio è

inquadrare teoricamente la tecnica sancita dalla prassi costruttiva, alla

luce dell’esperienza acquisita presso il Dipartimento di Ingegneria

Industriale nell’ambito delle numerose e decennali collaborazioni

intercorse con numerosi Costruttori di veicoli da corsa.

La vettura oggetto delle misure è stata messa a disposizione dell’Istituto di

Energetica dell’Università di Perugia. Non disponendo dei disegni di

progettazione della medesima, si è provveduto allo smontaggio ed al

rilievo delle caratteristiche dimensionali delle componenti delle sospensioni,

al fine di identificarne i meccanismi.

Il comportamento cinematico è stato determinato mediante simulazione al

computer, impiegando sistemi CAD ed il programma SOSP sviluppato

dall’Istituto.

Corso di Meccanica del Veicolo 3

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

1 GENERALITÀ SULLE SOSPENSIONI

1.1 Definizione di sospensione e moti caratteristici

Un veicolo in moto è sottoposto, a causa delle irregolarità stradali, a

sollecitazioni tanto maggiori quanto più elevati sono il suo peso e la velocità

di avanzamento. Compito delle sospensioni è assicurare il collegamento

mobile tra il corpo della vettura e le ruote, limitando le sollecitazioni trasmesse

alla struttura del veicolo e smorzando anche le oscillazioni conseguenti ad

urti; il tutto per garantire una buona guidabilità del veicolo. La geometria

delle sospensioni anteriori, inoltre, deve integrare un meccanismo di sterzata.

Da un punto di vista dinamico, le sospensioni trasmettono alle gomme e poi

al suolo le sollecitazioni provenienti dal telaio della vettura e viceversa; esse

costituiscono pertanto, con telaio e gomme, una catena cinematica.

In particolare, l’azione della vettura in curva è determinata dall’accoppiata

sospensioni-gomme: il comportamento di queste ultime, tecnicamente

detto deriva, è infatti influenzato dal carico che le sospensioni

distribuiscono sulle ruote e che si scarica al suolo attraverso le gomme.

Le sospensioni sono costituite da un meccanismo schematizzabile

come una catena di corpi rigidi, unito ad elementi elastici (molle e/o

barre), elementi dissipatori (essenzialmente ammortizzatori e tamponi) e

dispositivi che limitano 1'escursione della sospensione stessa, detti

generalmente finecorsa.

II compito degli ammortizzatori consiste principalmente nell'aumento della

sicurezza di marcia, limitando, se non annullando del tutto, il saltellamento

delle ruote e smorzando le oscillazioni dello chassis, dissipando 1'energia

cinetica in ingresso in energia termica in uscita. II sistema costruttivo standard

dell’ammortizzatore è quello idraulico a doppio tubo. Il volume dell'olio

affluente è strozzato con valvole caricate da molle: la forza esercitata

dall’ammortizzatore è pertanto circa proporzionale alla corrente volumica,

ossia alla velocità relativa del pistone.

Corso di Meccanica del Veicolo 4

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

L'interazione fra i vari gruppi sospensivi, normalmente quattro per i veicoli da

competizione a due assi, genera una serie di moti della scocca rispetto alle

ruote che risultano di particolare interesse per la definizione del

comportamento del veicolo in movimento. Essi sono normalmente definiti

come segue:

 Rollio: rotazione attorno all'asse longitudinale del veicolo;

 Beccheggio: rotazione attorno all'asse trasversale del veicolo;

 Pompaggio: oscillazione secondo 1'asse verticale del

veicolo, mantenendo la scocca parallela al terreno;

Imbardata: rotazione attorno all'asse verticale del veicolo.

 Figura 1 - Movimenti del veicolo e sistema di riferimento

Corso di Meccanica del Veicolo 5

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

Questi moti sono generati dai trasferimenti di carico, ovvero dalle

variazioni del peso gravante sulle ruote anteriori e posteriori di una vettura,

rispetto alla situazione di staticità. Tali trasferimenti sono a loro volta frutto

delle accelerazioni e decelerazioni che si generano durante le variazioni del

moto del veicolo, oltre che delle forze aerodinamiche. In particolare, non è il

carico a spostarsi (ciò genererebbe uno spostamento del baricentro), ma la

retta d’azione della risultante R tra carico P e forza d’inerzia F : mentre il carico

i

statico sui due assi rimane sostanzialmente identico (indipendentemente dal

fatto che la vettura sia in moto o meno), la forza d’inerzia, applicata al

baricentro, genera una variazione del carico risultante sui singoli pneumatici.

Oltre il comfort, i trasferimenti di carico influenzano la tenuta di strada, dato

che, in frenata, l’alleggerimento del retrotreno ne limita l’azione direzionale

e frenante; viceversa il trasferimento di carico all’avantreno migliora le

caratteristiche di frenata e direzionalità di quest’ultimo.

In accelerazione, l’alleggerimento dell’avantreno può comportare effetti di

sottosterzo in curva e perdite di aderenza (pattinamento) che non

consentono di scaricare a terra tutta la potenza disponibile. Ciò è valido,

ovviamente, solo nel caso di veicolo a trazione anteriore; in caso contrario,

l’effetto del trasferimento di carico al retrotreno favorisce l’aderenza.

La scocca, in queste situazioni, è soggetta a beccheggio; tale movimento

riduce il comfort di marcia ed influenza anche l’assetto, a causa

dell’affondamento o delle distensioni delle sospensioni. Il problema può

essere minimizzato, aumentando la rigidezza degli elementi elastici e/o

variando la geometria del sistema. L’irrigidimento del sistema molla-

ammortizzatore ha però come principale effetto indesiderato il

saltellamento delle ruote, con conseguenti perdite di aderenza e scarso

comfort. Un metodo differente consiste nel disporre opportunamente i

bracci di ancoraggio alla scocca, ottenendo una sospensione detta anti-

squat (cabrata) nel caso si opponga all’alleggerimento dell’avantreno o

anti-dive (picchiata) nel caso si opponga all’alleggerimento del retrotreno.

Corso di Meccanica del Veicolo 6

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

Le sospensioni, in questi casi, sono generalmente dotate di un cinematismo

che realizza una variazione di passo durante l’escursione.

Il trasferimento di carico può avvenire, oltre che in senso longitudinale,

anche in senso trasversale; il rollio è anzi più complesso da analizzare,

poiché di solito non è simmetrico. Gli esempi più classici sono dati

dall’entrata in curva in velocità, che provoca il caricamento maggiore

sulla ruota anteriore esterna, e dalla raffica di vento. Tali trasferimenti sono

di entità tanto maggiore, quanto maggiori sono le forze che li generano ed

il peso del veicolo, quanto più alta è la posizione del baricentro e quanto

minore è la larghezza della carreggiata.

1.2 Tipologie costruttive

Nel corso della storia dell’automobile, è stato realizzato un gran

numero di sospensioni appartenenti a tipologie diverse, ma le vetture da

competizione a partire dagli anni ‘60 hanno impiegato prevalentemente

sospensioni a triangoli e balestre e, a partire dagli anni ‘70, sospensioni con

elementi elastici a molle, ammortizzatori e barre sospese. Lo schema

generale di funzionamento (figura 2) mostra che tali sospensioni realizzano

su ogni ruota una coppia di quadrilateri articolati spaziali.

Questa tipologia di sospensioni, detta a triangoli, è impiegata nelle vetture

sportive e da competizione, in quanto consente agevoli variazioni di assetto,

cambiando di poco le distanze relative degli snodi, oppure modificando

leggermente le lunghezze dei vari braccetti. La sospensione a triangoli,

inoltre, consente traiettorie della ruota vicine alla verticale, con minime

variazioni delle inclinazioni del piano medio longitudinale delle ruote

rispetto alla situazione normale del veicolo: ciò ovvia a gran parte delle

problematiche connesse all’impiego delle sospensioni a bracci trasversali,

scontando però di una ben maggiore complessità costruttiva.

Corso di Meccanica del Veicolo 7

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

Tra le vetture di serie con sospensione anteriore a triangoli, si ricordano tutte

le Alfa Romeo a trazione posteriore (dalla Giulietta all’Alfa 75), molte Renault

(fino all’Espace), la Lancia Fulvia, la Fiat 500.

Per motivi prevalentemente legati ai costi di produzione, le vetture stradali

attuali adottano tipologie di sospensione semplificate, ad esempio la

McPherson (che può essere vista come un caso particolare del doppio

triangolo) o, su vetture di classe superiore, la multilink (una sostanziale

generalizzazione del doppio triangolo).

Alcune delle articolazioni della sospensione sono in questi casi non su giunti

sferici, come sulle vetture da competizione, ma su boccole di gomma.

Questa scelta, pur privilegiando il comfort di marcia, introduce delle

traslazioni parassite nei centri di rotazione degli organi della sospensione:

spostamenti piccoli rispetto alle derive degli pneumatici, che non

pregiudicano la guida ordinaria, ma inaccettabili in una vettura sportiva,

che adotta pneumatici a bassa deriva.

La ricerca ha poi evidenziato che tali movimenti indesiderati, in particolare

quelli dovuti alle articolazioni elastiche delle sospensioni posteriori delle

grandi berline, possono creare problemi di stabilità alle alte velocità. Per

ovviare a tale inconveniente, sono state sviluppate le sospensioni a schema

multilink, nelle quali le flessioni parassite sono generate unicamente dalle

condizioni di carico esterne ed hanno effetto stabilizzante.

In un recente passato, alcuni Costruttori (in particolare Honda e Mitsubishi)

hanno cercato di migliorare il comportamento della vettura in curva

ricorrendo al sistema del retrotreno sterzante. Di fatto, gli angoli di sterzata

posteriori necessari nella guida ad alta velocità hanno valori estremamente

ridotti, prossimi ad 1° per ruota, paragonabili ai valori della convergenza. Ciò

ha mostrato la possibilità di ottenere un effetto stabilizzante analogo,

controllando la flessibilità degli ancoraggi delle sospensioni posteriori.

Corso di Meccanica del Veicolo 8

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

1.3 Descrizione della sospensione a triangoli

Si consideri lo schema della sospensione rappresentato in figura 2, con il

sistema di riferimento solidale al telaio indicato: asse X longitudinale, asse Y

trasversale, asse Z verticale. 9

8 5

25 23 22

7 6

24

Z 1

18 2 10

14 11 

17

X Y 3

4 16 13

12

ia

rc

Ma

di

so

n

Se 20

Figura 2 – Schema della sospensione

I triangoli 1-2-10 e 3-4-12 (in rosso in figura) sono collegati al telaio mediante

nei nodi 1, 2, 3 e 4, costituenti pertanto vincoli esterni, mentre

coppie sferiche

il portamozzo 10-11-12 ( in blu in figura) è connesso ai triangoli sopradescritti

in 10 e 12 sempre mediante similari coppie sferiche, ma costituenti vincoli

interni. I triangoli sono pertanto obbligati a ruotare intorno agli assi 1-2 e 3-4,

in generale sghembi e non paralleli ad alcun asse di simmetria della vettura:

le traiettorie dei punti 10 e 12 sono quindi circonferenze ortogonali a tali assi.

II portamozzo si orienterà parallelamente alla direttrice 10-12, assumendo

una posizione angolare univocamente determinata rispetto a tale

direttrice, in quanto la presenza dell'asta 11-18 vincola il punto 11 a

Corso di Meccanica del Veicolo 9

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

mantenersi a distanza costante dal punto fisso 18. E' pertanto determinata

univocamente anche la posizione dell'asse ruota e della ruota stessa

rispetto al telaio, in quanto 1'asse ruota è solidale al portamozzo.

Muovendo il punto 18 trasversalmente rispetto al telaio della vettura, si

realizza il meccanismo di sterzata, in quanto si permette al portamozzo ed

alla ruota di assumere una diversa posizione angolare intorno all'asse 10-12. II

vincolo esterno nel punto 18 sarà pertanto un glifo nel caso della

sospensione anteriore, una semplice cerniera sferica nel caso della

sospensione posteriore.

E pertanto possibile, in virtù di quanto sopra detto, distinguere fra

’

sospensioni (anteriori) sterzanti, a punto 18 mobile secondo una

determinata direttrice, e sospensioni (posteriori) non sterzanti, a punto 18

fisso. Il cinematismo 1-2-10 e 3-4-12 ha il compito di controllare il movimento

della ruota rispetto al telaio. Z Fc

G Mc Y

Figura 3 – Rollio in curva

II trasferimento delle sollecitazioni dalle ruote al telaio avviene per mezzo

dell'asta 7-16 (detta puntone o push-rod), solidale al triangolo inferiore 3-4-

12. Essa, mediante il bilanciere 6-7-8, ruotante intorno all'asse 6-9 di

direzione assegnata, comprime il gruppo molla-ammortizzatore compreso

fra i punti 8 del bilanciere e 5 fisso sul telaio mediante un vincolo esterno

ancora del tipo cerniera sferica.

Corso di Meccanica del Veicolo 10

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

1.3.1 Barra antirollio

Come evidenziato dal disegno, il meccanismo 16-7-8-5 è un quadrilatero

articolato spaziale distinto da quello composto dal gruppo 1-2-10 e 3-4-12,

rispetto al quale è collegato in parallelo.

9'

8' 5'

23' 22'

7' 6'

24' 9

8 5

23

25 22

7 6

24

Z 1

18 2 10

14 11 17

X Y 3

4 16 13

12

a

rci

a

M

i

d

so

n

Se 20

Figura 4 – Schema barra antirollio

II bilanciere 6-7-8, attraverso il tirante 22-23 ed il coltello 23-24, comanda la

torsione dell'elemento 24-25, detto barra antirollio, che connette le

sospensioni di uno stesso asse secondo lo schema equivalente riportato in

figura 4. Scopo di tale collegamento è contenere il rollio in curva dovuto

all'azione della forza centrifuga, limitando la differenza di compressione dei

gruppi molla delle due sospensioni ad un valore dipendente dall'angolo di

torsione della barra stessa. Il minore coricamento del veicolo comporta

Corso di Meccanica del Veicolo 11

Sospensioni a Triangoli – Generalità sulle Sospensioni

maggiore sicurezza di marcia: infatti, riducendo il moto della sospensione, si

limitano anche le variazioni degli angoli caratteristici della stessa.

Barra antirollio

Figure 5 e 6 – Schema sospensione convenzionale e barre antirollio commerciali

Il principio su cui si basa il funzionamento di questo dispositivo è semplice: si

tratta di due leve collegate da una barra elastica (molla) che funziona a

torsione; generalm