Simulazione ammortizzatori scarichi e perdita controllo veicolo

Rubrica: Simulazione dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Effetti degli ammortizzatori scarichi sulla sicurezza di guida

Diciamoci la verità, nella lista delle cose da comprare, gli ammortizzatori per la vostra auto sono all’ultimo posto, non è vero? Mi rendo perfettamente conto. In questo articolo però, grazie ad un “simulatore” basato su modelli fisici-matematici, abbiamo voluto mostrarvi cosa può accadere (anche senza alta velocità) quando si scarta un ostacolo improvvisamente e con gli ammortizzatori al termine della loro vita utile.

La prova è stata simulata/effettuata utilizzando un simulatore basato su modelli fisici e matematici, pertanto le masse del veicolo e delle persone a bordo sono molto ben simulate. Anche le forze agenti su sterzo, gomme, motore, ammortizzatori, scocca e persone a bordo sono prossime alla realtà. Ogni massa è stata presa in considerazione senza lasciare nulla al caso. La prova è stata condotta in una giornata ventosa. L’asfalto è asciutto.

Ma vediamo le 5 fasi rappresentate nella sequenza di immagini sotto:

Fase 1: Il guidatore avverte che la vettura è traballante e per evitare l’ostacolo tenta di anticipare la traiettoria. La vettura risponde molto lentamente.

Fase 2: Il veicolo colpisce proprio l’ostacolo che si è tentato di evitare. Gli ammortizzatori anteriori si comprimono eccessivamente. Quelli posteriori si estendono senza l’opportuna frenatura. A bordo ci sono quattro persone sui 60-70 kg. Il guidatore si rende conto che non riesce a controllare il veicolo e va in panico.

Fase 3: Il guidatore “tenta” una manovra di emergenza e, proprio nel momento in cui frena più violentemente e con le ruote sterzate (manovra da evitare nella stragrande maggioranza dei casi anche se spesso viene per istinto), la vettura si destabilizza ancora di più e si imbarca.

Fase 4: Gli ammortizzatori (sul lato sinistro dell’auto) sono totalmente compressi, non vi è più alcun effetto smorzante e la tenuta del veicolo è affidata unicamente alle gomme. Si nota la strisciata sull’asfalto dovuta al bloccaggio delle gomme ed al sovrasterzo incontrollato causato dall’eccessiva azione sui freni.

Fase 5: Per fortuna la corsa della vettura termina senza il ribaltamento del mezzo. Questo anche grazie all’ambiente simulato insieme alla vettura, ovvero la pista. Il tracciato è privo di buche, cunette, corsie a doppio senso.

Quello che invece accade nella realtà e che differisce da questa simulazione è la fine della corsa (spesso contro altre macchine, cunette o alberi) di cui si sente parlare sui telegiornali. Non è sempre l’alta velocità la causa, bensì la perdita di controllo. Un veicolo più facilmente controllabile è un veicolo con ammortizzatori, gomme e freni in ordine. Un consiglio: in attesa di sostituire gli ammortizzatori evitate di viaggiare sovraccarichi; questo sposterà leggermente il limite della vostra vettura.

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Dinamica della moto: Gli effetti giroscopici – p.1

Rubrica: Dinamica della moto

Titolo o argomento: Gli effetti giroscopici – parte prima

Ogni qualvolta un corpo si trova in rotazione attorno al proprio asse e, contemporaneamente, si trova in rotazione anche intorno ad un secondo asse, nasce l’effetto giroscopico. Si tratta di un momento che va ad agire attorno ad un terzo asse perpendicolare agli altri due.

Tradotto in “italiano” e partendo da un semplice esempio possiamo considerare di tenere tra le mani la ruota di una bicicletta (afferrando il mozzo come se le nostre braccia fossero la forcella).

Mettendo in rotazione la ruota e spostandola con movimenti paralleli al corpo, verso l’alto o verso il basso, non avvertiremo alcun effetto se non quello della forza peso data dalla massa della ruota moltiplicata per la gravità (img. 1).

Al contrario se compiamo una brusca rotazione (attorno all’asse verticale) come se stessimo sterzando con il manubrio da un lato o dall’altro, sentiremo una coppia agire tra le braccia con la tendenza a ruotarle lungo l’asse longitudinale, in pratica, ad avvolgerle (img. 2).

 Effetti giroscopici Effetti giroscopici

L’intensità dell’effetto cresce sia aumentando il numero di giri della ruota (ovviamente attorno al proprio asse), sia aumentando la velocità con cui si inclina la ruota rispetto all’asse verticale (come se stessimo piegando).

Concludendo possiamo affermare che l’effetto giroscopico (riferito nel nostro caso alla ruota anteriore di una moto) è quell’effetto che tende ad inclinare la moto dalla parte opposta a quella verso la quale stiamo sterzando. Quando si è abituati a guidare la propria moto non è più difficile accorgersene, ma spesso, quando guidiamo una nuova moto, ci accorgiamo che quando curviamo o tentiamo di “piegare” questa tende ad opporsi alla “piega” per i motivi sopra citati. Appena presa confidenza l’effetto ovviamente permane ma nascosto nelle nostre abitudini di guida.

Continua…

Gomme più larghe, coefficiente d’attrito più alto?

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili -20-

Titolo o argomento: Gomme più larghe, coefficiente d’attrito più alto?

No, assolutamente no. Vogliamo in questa sede smentire tale credenza. Non è vero infatti che a pneumatici più larghi corrisponde un maggior coefficiente di attrito ed una conseguente maggiore tenuta.

A parità di mescola un pneumatico di larghezza 155 e uno di larghezza 345 (vedi le indicazioni riportate sulla spalla dei pneumatici) hanno lo stesso coefficiente di attrito. Quello che in realtà cambia è la possibilità, della gomma più larga, di distribuire il calore su una superficie di contatto più ampia. Questo fattore fa sì che il pneumatico non surriscaldi sotto sforzo o comunque quando ad esso sono richieste “performance” particolarmente sportive. Viceversa un pneumatico di dimensioni ridotte (ma con la stessa mescola) non è in grado di distribuire e smaltire dosi massicce di calore prodotto durante forti accelerazioni o durante una serie di curve. Per tale ragione surriscalda velocemente e perde la presa a terra.

Diverso è il discorso fatto per i consumi: un pneumatico più largo non fa più attrito come si sente dire “volgarmente”, un pneumatico più largo oppone una maggiore resistenza all’avanzamento con conseguente maggiore sforzo da parte del motore e relativi maggiori consumi.

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Ho gli ammortizzatori scarichi ma conosco bene la mia auto…

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili -19-

Titolo o argomento: Il pericolo sottovalutato degli ammortizzatori scarichi

E’ corretta l’affermazione presente nel titolo? No, però è molto diffusa. Inutile stare a ripetere l’ennesima volta che gomme, ammortizzatori e freni sono la parte più importante della vostra auto… Non serve a nulla, meglio spiegare in breve: “perchè?!”

Quando entrate in curva, per effetto dell’inerzia la vostra automobile tende a coricarsi dal lato opposto alla curva. Ciò significa che se prendete una curva a destra, l’auto si coricherà sulla sinistra mandando in compressione gli ammortizzatori a sinistra. E viceversa. Fin qui tutto ok. Ho fatto questa precisazione perchè molte persone con cui ho parlato avevano idee confuse al riguardo.

Quando invece andate ad agire sui freni i carichi non si trasferiranno lateralmente ma longitudinalmente. Ragione per cui notate che le automobili in frenata si abbassano davanti e tendono a sollevarsi sul retro. E anche qui il ragionamento per molti è scontato. Molto bene.

Nel momento in cui un ammortizzatore si comprime, se questo è scarico, perde l’effetto di assorbimento per cui è stato ideato. Questo perchè più un ammortizzatore è scarico e più è in grado di comprimersi completamente. Una volta che l’ammortizzatore arriva a fine corsa si ha lo stesso effetto che si avrebbe se la macchina ne fosse priva. L’auto diventa un corpo rigido  non ammortizzato che non è in grado di smorzare le irregolarità della strada o i trasferimenti di carico che si hanno frenando, accelerando, curvando. La macchina rimbalza quindi pericolosamente e in curva sbanda in quanto le gomme, da sole, non riescono a controllare i movimenti di un veicolo.

Risultato: quando l’ammortizzatore non può più lavorare perchè è totalmente compresso (in quanto scarico), lavorano solo le gomme… Esse si deformano smorzando le irregolarità della strada per quanto possono; una volta superato il loro limite (deriva), l’auto perde aderenza e stabilità e si verificano molti degli incidenti di cui sentiamo parlare tramite i media.

Finchè un ammortizzatore sarà in buone condizioni, prendere una curva significherà smorzare le asperità della strada senza che questo arduo compito spetti tutto alle gomme; significa che l’esuberanza di un veicolo che pesa circa 1400 kg viene opportunamente frenata e contenuta.

Prendete la molla di una penna a scatto, comprimetela tra le vostre dita dalla posizione di riposo a quella di massima compressione. Noterete come una volta compressa totalmente la potete accomunare ad un corpo rigido, una barretta la quale non è più in grado di  smorzare alcuna ulteriore forza agente su di essa. Ebbene per gli ammortizzatori la storia è molto simile.

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A metà del video sopra è possibile osservare come funziona un ammortizzatore

La sospensione è un organo costituito da molla e ammortizzatore. Le molle non si scaricano mai; quello che va sostituito con i chilometri sono gli ammortizzatori. Molle e ammortizzatori sono abbinati insieme per un motivo alquanto semplice: Se la vostra macchina fosse sospesa solo su molle, dondolerebbe continuamente e pericolosamente in modo nauseante. La presenza dell’ammortizzatore invece fa sì che la molla possa compiere il suo lavoro ogni volta che le viene richiesto ma che poi la sua azione possa essere smorzata e frenata sia in compressione sia in estensione proprio grazie all’ammortizzatore il quale però ha una vita limitata.

Introduzione al trasferimento di carico in una vettura da competizione

Rubrica: I trasferimenti di carico -1-
Titolo o argomento: Introduzione al trasferimento di carico

Vi è una particolare situazione (ma sarebbe più corretto dire un particolare gruppo di situazioni) che se ben gestita permette ad un mezzo da corsa di offrire prestazioni superiori: “Il trasferimento di carico“. In accelerazione ed in frenata consideriamo il trasferimento di carico lungo l’asse longitudinale del veicolo. In curva consideriamo il trasferimento di carico lungo l’asse trasversale del veicolo stesso. Il trasferimento di carico lungo l’asse longitudinale è in stretta relazione con il “centro di beccheggio” mentre il trasferimento di carico lungo l’asse trasversale è in stretta relazione con il “centro di rollio”; di questo parleremo più approfonditamente nei prossimi articoli di questa rubrica.

A seconda che la vettura (parliamo di vetture da corsa) abbia il motore anteriore o posteriore, la situazione che si viene a creare in frenata, in accelerazione o durante la percorrenza di una curva, varia  (anche questi fattori verranno meglio trattati in seguito) ma il concetto di base è sempre il medesimo. Pertanto in prima analisi affronteremo un discorso puramente introduttivo.

Rettilineo

Durante il rettilineo immaginiamo che, in assenza di buche e sconnessioni sul tracciato, la vettura si trovi nella sua condizione di equilibrio. Ripartizione dei pesi ottimale ed aerodinamica equilibrata.

Staccata

Il pilota agisce violentemente sui freni per cercare la massima prestazione.  Tenta di frenare il più tardi possibile e di avere la più alta forza frenante ottenibile senza che si blocchino le ruote. Durante la frenata le ruote anteriori non possono essere sterzate. Nel momento in cui i freni verranno mollati potrà iniziare la sterzata ma la vettura dovrà aver recuperato piuttosto rapidamente il suo “assetto”.

Facciamo ora un passo indietro

Nel momento in cui inizia la frenata le sospensioni anteriori si comprimono mentre quelle posteriori si estendono. Il peso del veicolo si sposta verso l’avantreno. La massima spinta ora è disponibile sull’avantreno stesso che dovrà raggiungere il suo assetto di frenata nel minor tempo possibile, pena il bloccaggio delle ruote anteriori.

Un avantreno troppo morbido agevola il trasferimento di carico e, nei casi peggiori, porta a pericolosi sottosterzi. Questo perchè quando il peso del veicolo si trasferisce all’anteriore e le molle delle relative sospensioni non sono in grado di opporsi al fenomeno, quest’ultime portano la sospensione a fine corsa ovvero a tampone. Ciò significa che viene perso l’effetto di assorbimento, che viene richiesto alle sospensioni stesse, con il risultato che la vettura che stiamo guidando si comporta come se fosse priva di sospensioni e incapace di smorzare i carichi gravanti sulle 4 ruote.

Inoltre un eccessivo trasferimento di carico all’anteriore provoca un pericoloso alleggerimento del retrotreno con possibile perdita di stabilità che il più delle volte si traduce in dannosi sovrasterzi. La vettura si scompone. E’ squilibrata. Il miglior compromesso è quello di una vettura neutrale, equilibrata e con un limitato trasferimento di carico (vedremo in seguito diversi esempi su questa rubrica).

Per ridurre il trasferimento di carico longitudinale verso l’avantreno (in frenata) si ricorre alla frenatura in compressione degli ammortizzatori anteriori (per evitare l’affondamento dell’avantreno) ed alla frenatura in estensione degli ammortizzatori posteriori (per evitare il sollevamento del retrotreno della vettura). Infine si adottano opportune barre antirollio di rigidezza controllata.

Accelerazione

Esiste una situazione in cui invece il trasferimento di carico fa realmente comodo. Nelle vetture a trazione posteriore, in accelerazione, si ottiene un reale vantaggio di trazione quando il carico si trasferisce (come è naturale che sia) al retrotreno. Andando il peso a gravare sulle ruote posteriori, spingendole a terra, si avrà una maggiore presa del pneumatico con la migliore performance che ne segue. In questo caso ammortizzatori anteriori non molto rigidi in estensione e ammortizzatori posteriori non molto rigidi in compressione, favoriranno il trasferimento di carico al posteriore e, con la maggior presa dei pneumatici, favoriranno l’accelerazione del mezzo.

Come per ogni parametro del setup di una vettura da corsa, quindi, conviene valutare (in seguito a ripetute prove in pista) il miglior compromesso per avere un buon bilanciamento in frenata ed in accelerazione. E’ opportuno ricordare che quanto detto ovviamente vale se tutti gli altri parametri di un setup sono a posto; è inutile infatti tentare di correggere la frenatura in compressione/estensione degli ammortizzatori, la taratura delle molle, le barre antirollio, se poi il differenziale autobloccante è tarato male o usurato o se l’aerodinamica non è efficiente o ancora se gli angoli caratteristici delle ruote sono errati (campanatura, convergenza, incidenza, ackerman).

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Nella prima foto vediamo l’abbassamento del veicolo come siamo abituati ad immaginarlo in seguito ad una forte frenata. Nella seconda foto invece vediamo rappresentati i vettori che evidenziano come sia elevato il peso gravante sull’avantreno rispetto al retrotreno in seguito al trasferimento di carico.

Il Setup di un’auto di formula

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa
Titolo o argomento: Quante combinazioni sono possibili in un setup di un’auto di formula?

Considerando le 24 regolazioni possibili, ossia:

  1. Ride Height (o altezza vettura).
  2. Caster (o incidenza).
  3. Camber (o campanatura).
  4. Toe (o convergenza).
  5. Springs – Le molle.
  6. Damper low speed bump – La compressione dell’ammortizzatore a bassa velocità.*
  7. Damper high speed bump – La compressione dell’ammortizzatore ad alta velocità.*
  8. Damper low speed rebound – L’estensione dell’ammortizzatore a bassa velocità.*
  9. Damper high speed rebound – L’estensione dell’ammortizzatore ad alta velocità.*
  10. Damper piston – Il pistone dell’ammortizzatore.
  11. Damper pression – La pressione nell’ammortizzatore.
  12. Damper bump shimming – Pacchi lamellari che regolano il passaggio dell’olio in compressione.
  13. Damper needle.
  14. Damper rebound shimming – Pacchi lamellari che regolano il passaggio dell’olio in estensione.
  15. Roll center – Centro di rollio.
  16. Antidive – Antilift – Antisquat.
  17. Wings Setting – Angolo delle ali.
  18. Gurney Flaps (o smorzatore di turbolenze sul profilo alare**).
  19. Tires pressure – Pressione pneumatici.
  20. Antiroll bar – Barre anti rollio.
  21. Antiroll bar blades – I bracci che vanno dall’ammortizzatore alla barra antirollio.
  22. Antiroll bar blades position – La posizione dei bracci che vanno dall’ammortizzatore alla barra antirollio.
  23. Bump rubber – Tamponi di fine corsa degli ammortizzatori.
  24. Brake master cylinders – Il dimensionamento dei cilindri dell’impianto idraulico del sistema frenante.

Secondo la matematica con 24 parametri ci sono la bellezza di oltre 79 trilioni di possibilità, il numero esatto è: 79.766.443.076.872,5 di possibilità 😀 Per fortuna la maggior parte di queste possibilità non sono funzionali, pertanto ci si muove all’interno di un range molto ristretto dove il giusto setting è comunque molto difficile da trovare.

VIDEO IN REVISIONE

*Si intende alta o bassa velocità dello stelo dell’ammortizzatore. Quindi un urto (se così vogliamo chiamarlo) più o meno violento. Quando il pilota centra un cordolo, ad esempio, la velocità con cui la ruota spinge e quindi comprime l’ammortizzatore è molto maggiore di quando gradualmente entra in curva ed il mezzo si corica verso l’esterno.
**E’ la traduzione italiana che ho dato io dato che non ce n’é una ufficiale 🙂

Quel problemino che arriva dal setup…

… o forse no 😀

Nelle sessioni di prove libere in pista (che conduco privatamente o per altre scuderie), dove si lavora sulla messa a punto, sempre più spesso mi accorgo che sono molti i piloti che imputano l’intera colpa di un problema di equilibrio della vettura (o della moto) al setup.

Occupandomi anche di test con appositi software di simulazione, mi sono accorto che anche in questo caso sono molti i piloti per così dire “virtuali” che si soffermano, per il 99,9% del tempo, solo sul setup.

In sintesi questo significa che la maggior parte dei piloti non considera che un problema che si verifica in pista può provenire da loro stessi, dal loro stile di guida, dal loro metodo di affrontare una determinata curva, una determinata chicane, un determinato tornante, un ingresso/uscita di curva, ecc…

Questo li rende una delle specie più cocciute che ci siano 🙂

Spesso la differenza nel rendimento in pista la fanno quei piloti che senza presunzione alcuna ascoltano ciò che i tecnici in squadra hanno loro da consigliare. Li vedi lì seduti ai box che ascoltano, che si fanno spiegare, che chiedono, che non partono dal concetto “so già tutto”…

Purtroppo però tali piloti sono una rarità e quei pochi che hanno il coraggio di fare domande senza credere che questo comportamento turberà la loro autostima, in pista poi si “vedono”.

Così si scopre che un differenziale autobloccante non era tarato male, semplicemente il pilota prolungava la frenata mentre iniziava a sterzare… Si scopre che le sospensioni non erano starate, semplicemente il pilota prima del centro curva apriva il gas in anticipo per poi richiuderlo mentre iniziava a sottosterzare… Si scopre che le gomme non si sarebbero usurate precocemente se il pilota avesse lasciato “scorrere” il mezzo… Si scopre che il cambio non era distanziato male, semplicemente il pilota affrontava le curve con la marcia errata…

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Un esempio di applicazione dei sensori di torsione

Rubrica: Telemetria (sensori di torsione)
Titolo o argomento: L’utilizzo dei sensori di torsione nella telemetria

Abbiamo parlato nel precedente articolo (Telemetria – Sensori di Torsione) dei sensori di torsione e del loro campo di applicazione; ora poniamo alla vostra attenzione un esempio di uno dei principali usi di questa tecnologia:

Il grafico in figura riporta sull’asse delle x (ascisse) il tempo espresso in secondi e riferito al giro di pista, mentre sull’asse delle y (ordinate) riporta la coppia espressa in Newton per metri. Il grafico rappresenta tre canali: quello della Torsione, quello della velocità della ruota presa in esame e quello dei giri motore.

Il grafico mostra un cambiamento di marcia all’altezza di 134.50 secondi. Durante il cambio di marcia si innesca un leggero pattinamento delle ruote (ricordo che il canale rappresentato sul grafico esprime la velocità di una sola ruota motrice presa in esame) che iniziano a scivolare nell’istante di tempo 134.66s. producendo una piccola torsione del semiasse relativo alla ruota esaminata.

Quando ritorna la presa del pneumatico a terra, la ruota rallenta e con essa i giri del motore; in questo frangente si verifica un elevato aumento di torsione sul semiasse in quanto tutta la trasmissione ritorna “all’improvviso ed in maniera violenta” sotto sforzo.

L’energia che agisce sull’albero di trasmissione (qualora il motore sia anteriore e la trazione posteriore), o sui semiassi, o ancora su entrambi,  permette alla macchina di prendere velocità. In questa situazione, più aumenta la velocità e minore sarà la torsione sugli alberi che trasmettono il moto. Inoltre il carico sul motore cala ed il numero di giri aumenta.

Si viene così a generare un sistema che agisce tra motore, albero di trasmissione, semiassi e pneumatico che si smorzerà durante i successivi 0.5 secondi.

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Trazione anteriore o posteriore?

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili -17-

Titolo o argomento: Trazione anteriore o posteriore?
Le vetture a trazione anteriore sono le più diffuse per alcuni semplici motivi:

  • Rendono un utilitaria più facile da guidare
  • Sono più economiche
  • Si adattano benissimo a motori con potenze fino a 200 cavalli

In realtà presentano una molteplicità di problemi che le rendono poco gradite a chi cerca la “prestazione”. Le trazioni anteriori hanno un forte carattere sottosterzante, sebbene questo renda la guida più intuitiva per i neofiti, rappresenta un pesante ostacolo per chi mastica da tempo kart o supersportive (vedi ad esempio gli istruttori delle scuole di guida sportiva). E’ più facile mantenere il controllo (o essere convinti di averlo…) su una vettura a trazione anteriore in quanto, in caso di sbandata, gestire l’anteriore che se ne va spaventa meno di un pronunciato pendolo innescato dal retrotreno delle trazioni posteriori.

Un pilota invece può trovare fastidioso (su una trazione anteriore) il fatto di non poter affondare il gas quando le ruote sono sterzate o innescherà uno sgradevole pattinamento delle stesse. Trova altrettanto fastidioso anche il fatto che in frenata la vettura a trazione anteriore potrebbe accusare imprecisioni nell’inserimento in curva. Infine trova molto sgradevole la perdita di tempo dovuta ai pattinamenti in accelerazione che fanno aumentare l’ansia in gara.

So che è difficile da credere ma, in teoria,  se si impara a portare bene una vettura a trazione posteriore, difficilmente si vorrà tornare a quella anteriore.

In accelerazione su una trazione posteriore, il trasferimento di carico al retrotreno aumenta il grip delle ruote motrici. In frenata la precisione in ingresso curva (grazie al differenziale autobloccante ed alla conformazione dell’intero autotelaio) è molto più apprezzabile di una trazione anteriore. Con una trazione posteriore si possono scaricare a terra potenze molto elevate proprio perchè più si da gas e più il peso del veicolo tende a premere le ruote motrici a terra facendole pattinare solo in casi piuttosto esasperati.

Infine la possibilità di entrare in curva in rilascio, raggiungere il centro della curva con leggera dosatura del gas ed infine uscire dalla curva aprendo via via maggiormente senza incontrare problemi di pattinamento legati a quanto sia ruotato lo sterzo, fanno delle auto a trazione posteriore, veicoli sicuramente più complessi ma allo stesso tempo più efficaci… 😀

Note tecniche:

Il sottosterzo in una trazione anteriore è tanto più pronunciato quanto più si da gas a ruote sterzate.

Il sovrasterzo in una trazione anteriore può (per ovvi motivi) sopraggiungere solo in fase di rilascio con forte trasferimento di carico all’anteriore ed una errata taratura delle sospensioni. A volte questa situazione può essere indotta volontariamente.

Il sottosterzo in una trazione posteriore arriva generalmente se si apre troppo anticipatamente il gas in ingresso curva o, viceversa, se si entra in curva troppo velocemente e si tenta di agire sullo sterzo. O per errate tarature del setup del veicolo.

Il sovrasterzo (nota più curiosa) nella trazione posteriore può verificarsi in due particolari situazioni: eccessiva apertura di gas o troppo repentina chiusura dello stesso. Quindi in forti accelerazioni o in forti rilasci.