Setup, Telemetria e Dinamica del veicolo

19 dicembre 2010

Assetto da neve: gomme più larghe o più strette?

Rubrica: Assetto da neve

Titolo o argomento: Sulla neve meglio gomme larghe o strette?

Solitamente si tende a pensare che un pneumatico più largo sia “sempre” migliore e quindi in ogni condizione, in ogni situazione. Non è esattamente così. I pneumatici con un’elevata area di contatto a terra hanno diversi svantaggi: aumentano i consumi di carburante, tendono al galleggiano sull’acqua (favoriscono cioè l’acquaplaning) e sono assolutamente inadatti sulla neve. Certo molti inconvenienti si sono ovviati con l’ausilio dell’elettronica ma rimanendo sul lato fisico del discorso è facile dimostrare quanto segue:

Ammettiamo di avere a disposizione un’utilitaria con una massa di 960 kg la quale scarica a terra ipoteticamente 500 kg all’avantreno (ovvero 250 kg per ruota, circa 2500 Newton) e 460 kg al retrotreno (ovvero 230 kg per ruota, circa 2300 Newton).

Ammettiamo che la superficie di contatto a terra di ogni pneumatico di tale utilitaria sia di 20 cm² (ovvero 2000 mm²).

La pressione “P” di contatto tra il pneumatico anteriore (ad esempio) e l’asfalto vale:

P = Forza/Area = (N/mm²) = 2500 N / 2000 mm² = 1,25 N/mm²

Se invece il pneumatico in questione avesse un’area di contatto a terra doppia e quindi di 40 cm² (ovvero 4000 mm²) la pressione varrebbe:

P = Forza/Area = (N/mm²) = 2500 N / 4000 mm² = 0,625 N/mm²

Viene da sé, ed è facile immaginare, come un veicolo con pneumatici più larghi, su bagnato o neve, perda più facilmente il contatto a terra rispetto ad un veicolo di pari massa che monta pneumatici più stretti. Non a caso le vetture da rally, quando sono settate per la neve, montano pneumatici di larghezza pari a circa la metà di quelli adottati sui tracciati d’asfalto.

In assetto da neve una vettura da rally monta gomme larghe circa la metà di quelle da asfalto

7 dicembre 2010

Deriva di un pneumatico

Rubrica: Dinamica del veicolo
Titolo o argomento: Deriva o Slip angle di un pneumatico

Durante la percorrenza di una curva l’impronta a terra del pneumatico ha una direzione differente rispetto a quella del pneumatico. Questo angolo che si viene a creare tra le due direzioni è chiamato deriva o, in inglese, slip angle.

Questo angolo è di fondamentale importanza per l’intuitività della guida. Se non vi fosse alcun angolo di deriva, ed il pneumatico fosse totalmente rigido, sarebbe impossibile per un guidatore (ma anche per un pilota) prevedere il comportamento di un veicolo. Si passerebbe repentinamente da una situazione di guidabilità ad una di completa inguidabilità del veicolo con improvvise e pericolosissime perdite di aderenza. Affrontare una curva sarebbe impossibile.

Un pneumatico stradale raggiunge angoli di deriva pari a 7-8 gradi. Un pneumatico racing raggiunge angoli più ridotti nell’ordine dei 2-3 gradi.

Le torsioni che avvengono sulla carcassa del pneumatico permettono al guidatore di intuire in anticipo una situazione di perdita di aderenza.

7 dicembre 2010

Proprietà meccaniche dei pneumatici

Rubrica: Dinamica del veicolo
Titolo o argomento: Proprietà che caratterizzano i pneumatici

In ambito tecnico vi sono tre particolari parametri che influenzano fortemente il comportamento dinamico di un veicolo. Li riportiamo di seguito in maniera semplificata come anticipazione dei futuri argomenti che tratteremo in questa rubrica.

Aderenza

L’aderenza è quella proprietà che garantisce al pneumatico il contatto “di tipo tangenziale” con il suolo. Questo significa che alle azioni tangenziali provenienti dall’automobile si oppone l’aderenza dei pneumatici.

Elasticità

Vi è l’elasticità verticale che permette al pneumatico di assorbire e trasmettere a terra le azioni verticali provenienti dalla vettura. L’elasticità longitudinale la quale determina il fenomeno dello scorrimenti. L’elasticità trasversale che determina il noto femonemo della deriva.

Isteresi

L’isteresi, o imperfetta elasticità del pneumatico, è una proprietà tipica del materiale gomma la quale provoca una dissipazione di energia da parte del penumatico stesso che si traduce in una resistenza al rotolamento.

Sezione di un pneumatico stradale: 1. Fodera interna in gomma sintetica (sostituisce la camera d’aria). 2. Maglia di fibre necessarie per resistere alla pressione. 3. Zona dove il pneumatico impugna il cerchio ovvero dove si trasmettono le forze di trazione e frenata. 4. Cavi che mantengono il pneumatico in contatto con il cerchio (resistono ad uno sforzo di 1800 kg senza rompersi). 5. Pareti laterali in gomma morbida atte a proteggere la struttura interna del pneumatico dagli urti che potrebbero danneggiarlo. 6. Strati di rinforzo in acciaio racchiusi tra due strati di gomma ad alta resistenza. 7. Strati di sicurezza composti da cavi in nylon che permettono al pneumatico di mantenere la sua forma alle alte velocità. 8. Battistrada, deve assorbire le asperità della strada scaldandosi il meno possibile per mantenere così una lunga durata. Tutte le parti appena elencate vengono vulcanizzate insieme al fine di ottenere il pneumatico che noi tutti conosciamo.

10 novembre 2010

Il differenziale elettronico

Rubrica: Il setup che fa impazzire – livello base

Titolo o argomento: Il differenziale elettronico
Soluzione base

In principio su alcune piccole utilitarie venne installato un sistema composto da differenziale aperto e sensori di velocità ruota. Tale soluzione, che non è da considerarsi più raffinata di un autobloccante, in realtà non fa altro che utilizzare le pinze freno in modo indipendente per frenare l’una o l’altra ruota motrice a seconda delle esigenze. Nel momento in cui una ruota perde aderenza, quest’ultima viene frenata in modo tale da riprendere aderenza e da permettere all’altra ruota motrice di trasmettere nuovamente “coppia motrice a terra”. Nel differenziale aperto infatti, se una delle due ruote motrici perde aderenza, l’altra si ferma creando possibili situazioni pericolose ad esempio su fondi bagnati o sconnessi. Pertanto frenando la ruota che non ha grip si permette all’altra di continuare a trasmettere trazione anziché fermarsi. La soluzione di base del differenziale elettronico è molto più economica di un autobloccante.

Soluzione E-Diff di Ferrari

Si tratta di un differenziale “autobloccante elettronico”, il bloccaggio non avviene secondo una percentuale predeterminata, bensì progressivamente. Si può persino arrivare al limite del 100% di bloccaggio. Il bloccaggio parziale o totale del differenziale avviene tramite attuatori elettroidraulici controllati da una centralina elettronica. Quest’ultima, sulla base delle informazioni ricevute dai sensori motore, sensori cambio, sensori sterzo, sensori freni, decide quando, e quanto, bloccare il differenziale. Tutto ciò permette di ottenere e garantire una maggiore motricità in fase di accelerazione, nonché una elevata precisione, stabilità e maneggevolezza in ingresso curva. Ed è proprio all’ingresso delle curve più tecniche che il differenziale viene completamente bloccato conferendo al retrotreno la massima stabilità. Nel momento in cui poi si allegerisce la pressione sul pedale del freno e si gira lo sterzo, il differenziale si apre gradualmente per limitare il sottosterzo e facilitare l’inserimento in curva. Quindi si riblocca parzialmente in modo da stabilizzare l’assetto. Infine, dal punto di corda, ossia dal punto in cui si ricomincia ad aprire il gas, il differenziale E-diff si riapre tutto e si mantiene pronto a chiudersi nuovamente qualora la ruota interna iniziasse a pattinare sull’asfalto.

Dynamic performance control di BMW

Immaginate di stare in canoa. Se mentre si naviga seguendo la corrente principale si intende girare a destra, si può frenare con la pagaia sulla parte destra. Questa è la procedura più usata dalla maggior parte dei programmi stabilizzatori elettronici. In alternativa, la pagaia può essere affondata con decisione a sinistra in modo da fare procedere la canoa in avanti e verso destra. Ecco spiegato il principio del Dynamic Performance Control. Esso consiste in un particolare differenziale sull’asse posteriore combinato con due riduttori epicicloidali e due freni lamellari a controllo elettronico. Questo sistema meccatronico unisce informatica, elettronica e meccanica. È in grado di elaborare dati complessi quali l’imbardata, la velocità della ruota, l’angolo di sterzata e la coppia motore reagendo in maniera mirata: se necessario uno di questi riduttori viene inserito nella catena cinematica attraverso i freni lamellari, distribuendo la coppia in maniera variabile e continua sulle ruote posteriori. Su richiesta questa distribuzione viene visualizzata dal computer di bordo. Il Dynamic Performance Control aumenta la tenuta di strada nelle accelerazioni in curva e assiste il conducente anche in caso di situazioni critiche come ad esempio doppi cambi di carreggiata. Prima della tendenza al sottosterzo o al sovrasterzo, la vettura viene mantenuta in carreggiata dalla ruota con il maggiore controllo laterale. La risposta più diretta dello sterzo aumenta sensibilmente comfort e sicurezza. Il differenziale elettronico di BMW è efficace anche in fase di decelerazione, quando il conducente toglie il piede dall’acceleratore e la vettura percorre una discesa con la frizione disinserita. Se le ruote posteriori si trovano su fondi con grip diverso, il Dynamic Performance Control migliora la trazione, fornendo una coppia maggiore alla ruota che presenta migliore aderenza. La differenza di coppia teorica massima tra la ruota posteriore sinistra e quella destra ammonta a 1.800 Nm. Questo apporta notevoli benefici alla stabilità del veicolo e alla trazione.

Maggiori approfondimenti alla sezione “Setting” della pagina “Motori“.

4 novembre 2010

Relazione tra velocità e rapporti del cambio

Rubrica: Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Dall’inglese all’italiano, passando per il motorismo
Risponendo a: Alex

Alex ci chiede se è possibile sapere a che velocità viaggia un’automobile ad esempio in prima marcia conoscendo i rapporti del cambio.

E’ necessario conoscere un paio di formule e saperle applicare rispettando le corrette unità di misura. Per prima cosa misuri il diametro della ruota del veicolo in questione (misura completa di gomma e cerchio). Tenga questo dato espresso in metri. Se ad esempio la misurazione dà il risultato ad esempio 50 centimetri, lo porti in metri: quindi 0,5 metri.

Successivamente proceda a calcolare la circonferenza della ruota applicando la formula: raggio per 2 per 3,14 (ovvero pi greco). Il raggio ovviamente sarà la metà del diametro che avrà misurato ed espresso in metri.

A questo punto avrà ottenuto la misura in metri della circonferenza della sua ruota e potrà applicare una seconda formula che le permetterà di ricavare la velocità in chilometri orari ottenibile con un dato rapporto del cambio:

Formula per il calcolo dei rapporti del cambio

Si legge: 0,06 per circonferenza ruota (espressa in metri) per numero di giri del motore, il tutto diviso per il rapporto al ponte moltiplicato per il rapporto al cambio. Il valore del rapporto al ponte e quello di ogni rapporto del cambio lo trova sulle specifiche tecniche del veicolo (anche su un semplice depliant o sul libretto di uso e manutenzione).

25 ottobre 2010

Schema delle sospensioni diviso per il rollio ed il beccheggio

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa

Titolo o argomento: Sospensioni con funzioni indipendenti per il rollio ed il beccheggio

Se fino a pochi anni fa una vettura di formula era dotata di uno schema delle sospensioni (generalmente push-rod, più raramente pull-rod) a ruote indipendenti con un ammortizzatore per ogni ruota, oggi la situazione è cambiata se non altro per le piccole vetture di formula che preparano ad un possibile domani nella F1*. Si tende infatti ad optare per uno schema assai più ingegnoso, semplificato, funzionale e facile da mettere a punto: le sospensioni con funzioni indipendenti per il rollio ed il beccheggio.

Non si tratta di una soluzione nuova (in realtà la Dallara Automobili la usava già 20 anni fa) tuttavia oggi è una soluzione più richiesta perchè maggiormente gradita dai piloti e da chi si occupa di messa a punto del setup.

Oggi l’avantreno di una vettura di formula può essere dotato ugualmente di due ammortizzatori, tuttavia uno solo (il classico ammortizzatore con sistema idraulico + molla) è incaricato di smorzare i movimenti di pompaggio e beccheggio della vettura, mentre un secondo ammortizzatore, costituito da molle a tazza contenute in un apposito astuccio (riferimento D in figura), ha il compito di attenuare il rollio del mezzo.

Come?

Tramite un sofisticato ed allo stesso tempo semplice sistema di leve.

Come funziona?

Pompaggio e beccheggio. Quando la vettura affonda come ad esempio in seguito allo schiacciamento verso terra che si produce dopo una discesa a forte velocità (SPA Francorchamps) o durante il passaggio su una sconnessione dell’asfalto o ancora in fase di frenata, allora i puntoni (A) spingono con forze di intensità molto simili sul rinvio (B) detto “rocker”. Tale rinvio (B), in seguito all’azione dei puntoni, tende a ruotare rispetto al piano orizzontale sollevandosi quindi di pochi millimetri dal suo piano di appoggio sulla scocca ed andando così a comprimere l’ammortizzatore (C) incaricato di smorzare il fenomeno.

Rollio. Durante una fase di rollio, quando si verifica un trasferimento di carico laterale del mezzo (ovvero quando questo tende a coricarsi o da un lato o dall’altro rispetto all’asse longitudinale), i puntoni (A) non premono con uguale intensità sul rocker (B) . Il puntone che preme maggiormente tenderà questa volta a far scorrere il rinvio (B) anziché sollevarlo. Scorrendo tale rinvio (B) tenderà a comprimere l’una o l’altra molla a tazza contenuta nell’astuccio (D) a seconda del verso della spinta.

Condizione necessaria affinché il rinvio (B) possa essere sollevato rispetto al piano orizzontale (e non fatto scorrere) è che i puntoni premano con forze di intensità quasi uguali.

Quali vantaggi e quali svantaggi?

Vantaggi. Soluzione semplice, ingegnosa, leggera, facile da mettere a punto, maggiormente gradita dai piloti e dai tecnici che si occupano del setup,

Svantaggi. Maggiore ingombro, minori configurazioni possibili.

*Vedi ad esempio la Formula Renault FR 3.5

18 luglio 2010

Asse di inerzia

Rubrica: Dinamica del veicolo
Titolo o argomento: L’asse di inerzia o meglio la curva che congiunge i baricentri

L’asse longitudinale d’inerzia è quella retta che congiunge i baricentri delle parti anteriori e posteriori del veicolo. In realtà l’asse d’inerzia è una curva congiungente tutti i baricentri delle sezioni elementari, ottenute dividendo il veicolo con una serie di piani verticali ed ortogonali al suo asse longitudinale. La condizione ideale per la tenuta di strada è la coincidenza dell’asse di rollio con l’asse di inerzia, condizione assai difficile da realizzare in pratica, per cui durante la progettazione del vicolo si cerca la disposizione più opportuna dei carichi (disposizione che influisce sull’asse d’inerzia) e la miglior scelta sul sistema sospensivo (che influisce sull’asse del rollio) per cercare di avvicinarli il più possibile. La posizione relativa influisce molto dal passaggio da marcia rettilinea a quella di accelerazione e decelerazione in particolare modo in curva. In generale tanto più lontani si trovano i due assi tanto peggiore è il comportamento all’ingresso in curva, inoltre tanto più alto sarà l’asse d’inerzia tanto maggiori saranno i trasferimenti di carico e l’entità dell’angolo di rollio.

10 luglio 2010

Centro di rollio – Asse di rollio

Rubrica: Dinamica del veicolo
Titolo o argomento: Il centro di rollio di un veicolo ed il suo asse

Quando si entra in curva si osserva come, a causa della forza centrifuga le masse subiscono un movimento analogo a quello di un pendolo, con l’unica differenza che il centro di rotazione (centro di rollio) in questo caso si trova più in basso delle masse sospese.

Questo punto virtuale si può determinare graficamente in funzione del tipo di sospensione. La posizione può variare non solo in base al tipo di sospensione adottata all’avantreno o al retrotreno, ma anche dall’escursione di esse. Di solito in un’autovettura gli schemi sospensivi sono diversi fra l’anteriore e il posteriore e quindi la posizione dell’asse di rollio (ovvero la congiungente fra il centro di rollio anteriore e il centro di rollio posteriore) determina l’asse virtuale intorno al quale il veicolo ruota durante il movimento. L’asse è detto virtuale in quanto esso può variare la sua posizione durante le escursioni delle sospensioni, così come variano i rispettivi centri di rollio (anteriore e posteriore).

Il centro di rollio è di fondamentale interesse per studiare la
migliore geometria per lo schema delle sospensioni di una
vettura che si sta progettando.

10 luglio 2010

Rollio

Rubrica: Dinamica del veicolo
Titolo o argomento: Trasferimento di carico trasversale, il rollio.

Il rollio è il movimento che maggiormente condiziona la tenuta di un veicolo. Il trasferimento di peso può avvenire, infatti, oltre che in senso longitudinale (denominato “beccheggio” – argomento trattato nell’articolo: Trasferimenti di carico parte 3) anche in senso trasversale. Il rollio è il movimento che viene a prodursi in un veicolo dotato di sospensioni il quale, effettuando una curva, diventa soggetto alla forza centrifuga.

Essa, agendo principalmente sulla massa sospesa del veicolo, lo inclina nel senso opposto a quello del centro della curva. Gli effetti del rollio sono negativi: se si sposta la massa sospesa si modificherà nello spazio la posizione degli ancoraggi (di ruote e sospensioni) e pertanto si modificheranno tutti gli angoli caratteristici (in particolar modo la campanatura). Il risultato è quello di far lavorare le gomme con degli angoli che non sono quelli previsti in fase di progetto.

Un’altra componente negativa legata al rollio della massa sospesa è che, agendo tramite i mezzi elastici presenti nelle sospensioni, si trasferisce il peso dell’auto dalla parte interna sulle ruote esterne alla curva. Questi trasferimenti di carico sono di entità tanto maggiore quanto maggiori sono le forze che li generano, quanto maggiore è il peso del veicolo, quanto più alta è la posizione del baricentro e quanto minore è la larghezza della carreggiata. Di seguito la relazione che esprime il trasferimento di carico trasversale:

F = (a Mh) / L

Dove:
F è il trasferimento di peso trasversale in N
a è l’accelerazione in m/s2
h è l’altezza del baricentro in m
M massa del veicolo in Kg
L lunghezza della carreggiata in m

I vettori semitrasparenti in verdino sono molto maggiori sulle
ruote esterne alla curva; sintomo che la vettura simulata ha
subìto un rollio piuttosto elevato.