Approfondimenti | 08 November 2021 | Autore: Stefano Lazzarino

Le sospensioni degli autoveicoli

Le sospensioni si sono evolute per garantire massimo comfort e sicurezza: vediamo quali sono gli elementi che le compongono.

I componenti che uniscono il corpo vettura e le ruote costituiscono, nel loro insieme, il sistema di sospensione. Sono impianti evoluti, le cui caratteristiche sono fondamentali per garantire comfort, tenuta di strada e stabilità.

Sul sistema di sospensione è stato fatto e detto di tutto e di più. I progettisti hanno raggiunto un livello di sofisticazione incredibile, mentre gli appassionati vedono in questo sottosistema del veicolo un potenziale campo su cui intervenire per portare a livelli estremi le prestazioni su strada e l’aspetto estetico del veicolo.

Con l’avvento poi delle vetture elettriche, dotate di sistemi di batteria con massa elevata, il progetto e la taratura dei sistemi di sospensione è diventato un imprescindibile step dell’intero progetto.

I compiti di una sospensione

Filtrare le asperità della superficie stradale è la prima cosa che viene in mente quando si parla di sospensioni. In realtà, i compiti di un impianto ben fatto sono anche altri e, certo, non meno importanti.

Le sospensioni, infatti, devono garantire che le ruote mantengano il contatto con il terreno e perché ciò sia possibile, è fondamentale che le oscillazioni e le variazioni di geometria della ruota vengano gestite.

Ma non solo. Un sistema di sospensione, qualsiasi sia lo schema utilizzato, deve puntare anche ad altri aspetti: deve occupare poco spazio, deve essere economico, non deve richiedere un numero eccessivo di attacchi al telaio e, infine, ma come sempre non in ordine di importanza, deve consentire una manutenzione semplice e veloce.


Le funzioni delle sospensioni

Per capire le tipologie di sistemi di sospensione presenti in commercio è necessaria una breve premessa.
Il controllo dei movimenti della ruota è affidato a un sistema di bracci che si occupano di gestire i gradi di libertà della ruota stessa. In pratica, se teniamo conto che un gruppo ruota è un oggetto immerso nello spazio tridimensionale, per lui sono disponibili sei diversi gradi di libertà: tre rotazioni e tre traslazioni.

La rotazione della ruota che porta al movimento della vettura, ovviamente, è l’unico grado di libertà che non deve essere vincolato, mentre gli altri movimenti, pur non essendo totalmente impediti, devono comunque essere governati.
Questo è il motivo per cui, con un’affermazione un po’ semplificata, possiamo dire che il sistema di sospensione a cinque bracci sia, di fatto, quello che permette di controllare cinque dei sei gradi di libertà del singolo gruppo ruota nel modo migliore.
Vedremo poco più avanti, però, che esistono delle soluzioni ibride, o intermedie, che consentono di ottenere un eccellente controllo del sistema, senza dover per forza ricorrere alla costosa soluzione multilink.

I componenti che costituiscono una sospensione, tra cui boccole, giunti sferici, gommini, bracci, traverse, molle, ammortizzatori e barre antirollio sono quindi pensati per pilotare la posizione corretta del pneumatico in ogni situazione di marcia.
Nella guida particolarmente sportiva, o su percorsi molto accidentati, come per esempio nel fuoristrada, si raggiungono le condizioni di esercizio più difficili da gestire e, proprio per questo motivo, un sistema di sospensione viene pensato per un impiego ben definito.
 

La sospensione ad assale rigido

La sospensione ad assale rigido è una delle soluzioni più storiche e ha trovato negli anni grande applicazione per realizzare i retrotreni. Le due ruote sono collegate rigidamente tra loro e i loro movimenti verticali si influenzano mutuamente.

Sotto il profilo costruttivo, l’assale rigido è costituito da un tubo di acciaio, agli estremi del quale sono collegate le due ruote. Spesso si confonde l’assale rigido con il ponte rigido, ma la differenza tra i due sistemi è semplicemente che il ponte contiene al suo interno il gruppo differenziale e i semiassi.
L’aspetto importante, sotto il profilo funzionale, è che sia l’assale sia il ponte, oltre a collegare tra loro le ruote, hanno anche una funzione portante.

Tra i vantaggi di questa soluzione troviamo la semplicità costruttiva, il costo basso, il corretto controllo della campanatura e il mantenimento dei valori di carreggiata, anche quando il carico varia notevolmente.
Questa soluzione presenta però anche degli svantaggi: è ingombrante e non permette la regolazione degli angoli caratteristici delle ruote. Di solito, è anche molto pesante.

Lassale rigido è ancora presente oggi su alcuni pick-up, che al retrotreno sono dotati di molle a balestra.
 

L’assale a U

Esiste una soluzione a metà strada tra l’assale rigido di cui abbiamo appena detto e la soluzione a ruote totalmente indipendenti: tra i progettisti è conosciuto con il nome di assale a U ed è uno schema che si è affermato per la realizzazione dei retrotreni di auto non troppo costose.

Si tratta in pratica di una barra trasversale e di due bracci longitudinali. La barra trasversale lavora a torsione, mentre i bracci controllano per l’appunto i movimenti longitudinali.
La mutua influenza dei movimenti di una ruota rispetto all’altra è ancora presente, ma non così definita come nell’assale rigido. Grazie infatti alla torsione della barra, le ruote riescono ad avere una certa libertà di movimento.

Tra i vantaggi, ricordiamo l’economicità, il numero di attacchi al telaio relativamente basso e una prestazione su strada che si avvicina a quella delle soluzioni a ruote indipendenti.
Garantisce anche una forte riduzione delle masse non sospese, ovvero quelle masse che sono soggette a inerzia e che tendono a compromettere il costante contatto della ruota con il terreno.
Purtroppo, nelle situazioni più estreme, le ruote di un assale a U tendono a non mantenere la verticalità rispetto al terreno e, come per l’assale rigido, la geometria del gruppo ruota non è modificabile, cioè gli angoli caratteristici non possono essere regolati.
 

L’assale ad omega

Sulla falsa riga dell’assale a U, si è sviluppato nel corso degli anni una soluzione molto simile, utilizzata su alcune utilitarie: l’assale ad omega, che è stato così definito per la sua forma che richiama alla mente la nota lettera greca.

Questa soluzione ha tutti i vantaggi di quella a ruote interconnesse, ma ne aggiunge uno in particolare: il mantenimento della posizione verticale delle ruote. I due bracci longitudinali gli consentono di mantenersi in posizione corretta, ma il grosso del lavoro lo fa solitamente un grosso silent-block posizionato in zona centrale. Anche lui viene utilizzato esclusivamente per realizzare i retrotreni.
 

Sospensione Mac Pherson

Giungiamo così alla grande famiglia delle sospensioni a ruote indipendenti, soluzioni che hanno raggiunto un grado di evoluzione molto elevato e che ormai sono state integrate anche su vetture di gamma più bassa.

È inutile in questa sede procedere a un lungo elenco delle soluzioni adottate dalle diverse case, perché a fronte di interpretazioni anche molto diverse, fa fede il concetto base che abbiamo anticipato: in breve, tutte le soluzioni impiegate dai costruttori si basano sull’utilizzo di cinque sistemi di vincolo per governare i gradi di liberà della ruota, meno uno.
Vale invece la pena parlare brevemente della soluzione Mac Pherson. La sospensione con schema Mac Pherson è uno degli schemi più diffusi, soprattutto per la realizzazione degli avantreni.

Si tratta di un impianto che prevede un braccio ad A nella parte bassa e il corpo molla e ammortizzatore per la parte alta.
È concettualmente importante notare che la sospensione Mac Pherson è nata storicamente come variante più economica, ma meno ingombrante, della soluzione, sempre a ruote totalmente indipendenti, che prevede due bracci ad A, o bracci triangolari che dir si voglia.
Per ottenere la Mac Pherson, il progettista che per primo la propose, e da cui prese il nome (Earle Mac Pherson fu un ingegnere della General Motors), sostituì il braccio superiore con il gruppo molla e ammortizzatore accoppiati tra loro.
 

Le molle e barre

Questi componenti sono posizionati tra la carrozzeria e i componenti del sistema di sospensione della parte più bassa, quelli collegati alla ruota e all’insieme dei semiassi.

Sebbene in questo articolo abbiamo impostato tutto il discorso sulle oscillazioni verticali del sistema di sospensione, è ovvio che ci si deve occupare anche dei movimenti laterali. Su questo fronte, il compito è affidato ai pneumatici e ai silent-blocks, attraverso cui i componenti del sistema di sospensione sono fissati alla scocca.

Le molle hanno quindi il compito di consentire alla cassa di oscillare e questa oscillazione avrà una sua frequenza propria. Il problema della frequenza di oscillazione richiede ampio spazio per essere sviluppato. Qui, vogliamo brevemente parlare dei diversi tipi di molle normalmente impiegate in ambito automobilistico: quelle a balestra, quelle elicoidali, quelle a barra di torsione e le barre stabilizzatrici che appartengono sempre agli elementi che lavorano per torsione.

Le molle elicoidali sono leggere e occupano poco spazio, per contro non offrono nessun tipo di freno all’oscillazione e non sono in grado di trasmettere le forze trasversali e assiali alle ruote.

Le molle a barra di torsione sono per l’appunto delle barre, realizzate con acciai specifici per molle, collegate da una parte al telaio, dall’altra alla ruota. L’oscillazione della ruota mette in torsione la barra.

Le molle a balestra sono appannaggio dei veicoli commerciali e di qualche pick-up, per cui tralasceremo l’argomento.
Infine, le barre stabilizzatrici sono elementi tubolari che collegano le due ruote, attraverso il sistema di sospensione, e che migliorano il comportamento su strada frenando l’eccessivo coricamento del corpo vettura, grazie alla forza di reazione generata sempre dalla torsione.
Esistono poi le molle pneumatiche e idropneumatiche che sfruttano il comportamento elastico di un gas racchiuso in un contenitore.
Nel caso della molla idropneumatica, la camera del gas viene combinata con un cilindro. L’effetto della molla idropneumatica è quindi il più completo, perché associa i compiti svolti dall’ammortizzatore e dalla molla.
 

Gli ammortizzatori

Questi componenti sono fondamentali per frenare l’oscillazione causata dalle molle.
Se infatti non ci fossero gli ammortizzatori, le oscillazioni causate dalle asperità stradali si protrarrebbero per lungo tempo ma, cosa ancora più importante, in caso di coincidenza tra frequenza di oscillazione e frequenza di risonanza del sistema il veicolo diventerebbe incontrollabile.

Un ammortizzatore, per svolgere il suo compito, sfrutta il passaggio di un fluido viscoso da una camera a un’altra attraverso fori di sezione calibrata. Con il tempo, gli ammortizzatori perdono parte della loro efficienza, a causa dell’usura delle tenute che devono garantire il trafilamento del fluido secondo le specifiche di progetto.
Un ammortizzatore in perfetto stato è condizione imprescindibile per garantire il corretto funzionamento di un sistema di sospensione.

È anche facile intuire quando un ammortizzatore inizia a essere in crisi, perché le oscillazioni della scocca, dopo un asperità o un avvallamento, proseguono per un tempo eccessivamente lungo, mettendo a rischio sia il controllo del veicolo sia il comfort di bordo.
 

Le sospensioni attive

Questo tipo di sospensione si è affermata ai nostri giorni grazie alla disponibilità di tecnologia tutta nuova e di molta elettronica.

Nella loro forma concettuale, sono sospensioni che riescono a regolare il loro comportamento, o meglio la loro risposta, in tempo reale, modificando continuamente sia la rigidezza elastica, sia la capacità di smorzamento.

Sotto il profilo concettuale, i progettisti che impiegano le sospensioni attive sostituiscono gli elementi base della sospensione stessa, molla e ammortizzatore, con elementi funzionanti idraulicamente e governati da attuatori molto veloci, a loro volta comandati da un sistema di calcolo e analisi in grado di imporre alla vettura l’assetto perfetto per ogni condizioni di marcia.
Il recupero delle informazioni, a cui seguirà l’analisi, viene affidato a un sistema di sensori, accelerometri e trasduttori di posizione, che invieranno alla centralina di comando tutti i dati necessari a effettuare le valutazioni delle condizioni di marcia.
Da qui, con tempi di trasmissione ad attuazione molto rapidi, il sistema di sospensioni attive si autoregola per offrire comfort, tenuta di strada e stabilità ai massimi livelli.


 

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