Angoli caratteristici Per poter esaminare correttamente le caratteristiche fondamentali di una sospensione e capirne il funzionamento da alcune definizioni di base, è opportuno esaminare l‘effetto che gli elementi di collegamento fra la scocca e la ruota hanno sulla posizione di quest‘ultima nelle varie condizioni di marcia (in accelerazione, in frenata e in curva). I leveraggi della sospensione hanno il compito di guidare i movimenti della ruota imponendole tutta una serie di posizioni ottimali, fissate in sede di progetto, che garantiscano un favorevole contatto con il terreno. Inoltre dato che la geometria della sospensione influisce sulla posizione della ruota, è di fondamentale importanza definire gli angoli caratteristici della sospensione e della ruota.

Angoli caratteristici Inclinazione longitudinale dell’Asse di sterzata (Incidenza) Campanatura Inclinazione trasversale dell’Asse di sterzata Parametri della Geometria della Sterzata Convergenza Braccio a terra longitudinale Sei parametri sono necessari per definire completamente la geometria della sterzata: Due angoli per definire l’inclinazione dell’asse di sterzata: Braccio a terra trasversale e braccio a terra longitudinale. Due angoli per definire la posizione statica della ruota: Campanatura o inclinazione della ruota e convergenza ruote. Due distanze per definire l’inclinazione trasversale e longitudinale dell’asse di sterzata Braccio a terra trasversale

Angoli caratteristici - definizioni Campanatura: Angolo di inclinazione laterale della ruota rispetto alla perpendicolare al terreno Incidenza: Inclinazione longitudinale della ruota rispetto alla perpendicolare al terreno Angolo incluso: Angolo compreso tra l’inclinazione del montante e il piano di mezzeria della ruota Convergenza: angolo compreso tra il piano di mezzeria della ruota e il piano longitudinale del veicolo Asse di spinta: Obliquità dell’asse posteriore rispetto alla simmetria longitudinale del veicolo Ulteriori definizioni tecniche degli angoli caratteristici. Setback: Obliquità dell’asse anteriore rispetto alla simmetria longitudinale del veicolo

Angoli caratteristici – ulteriori definizioni Campanatura = Inclinazione Ruota = Camber Incidenza = Inclinazione longitudinale asse sterzo = Caster Convergenza = Parallelismo = Toe In (convergenza) / Toe Out (divergenza) Inclinazione perno fuso = Inclinazione Montante = Inclinazione trasversale asse sterzo = S.A.I. (Steering Axis Inclination) Angolo incluso = Campanatura + Inclinazione perno fuso Asse di spinta = Angolo di Spinta Posteriore = Linea Direzionale Posteriore

Campanatura (Camber) Rappresentazione degli angoli di campanatura Positivo Negativo Nullo Si ha Campanatura positiva quando il piano equatoriale della ruota e la verticale al terreno passante per la mezzeria del veicolo si incontrano al di sotto del piano su cui poggia la ruota stessa. Si ha Campanatura negativa se il piano equatoriale della ruota e la verticale al terreno passante per la mezzeria del veicolo si incontrano sopra il piano su cui poggia la ruota stessa. Se la retta e il piano non si incontrano, in condizioni di parallelismo la campanatura si dice nulla, con la ruota perfettamente ortogonale al terreno.

Campanatura (Camber) E’ l’angolo misurato in gradi, compreso tra il piano equatoriale della ruota e il piano ortogonale al terreno (ξw). Oltre al valore assoluto è fondamentale la tolleranza ammissibile. Il valore della campanatura (camber) è legato a quello del kingpin (δ) che rappresenta l’inclinazione dell’asse di sterzo. La differenza di kingpin tra destra e sinistra non deve superare i 30’ per evitare che il veicolo non mantenga la traiettoria rettilinea (idem per il camber). Molto spesso la campanatura ha un valore positivo perché questa configurazione consente di diminuire l’entità del braccio a terra trasversale. Nelle ruote direttrici anteriori maggiore è la distanza fra punto di contatto a terra della mezzeria del pneumatico e la proiezione a terra dell’asse di sterzata, e maggiori sono le reazioni da vincere con lo sterzo in caso di diversa aderenza fra le due ruote in frenata, oppure in accelerazione e anche in caso d’urto di una delle due ruote contro un ostacolo. La campanatura negativa, sebbene aumenti il braccio a terra trasversale, risulta più vantaggiosa in quanto favorisce il contenimento trasversale del veicolo in rettilineo ed in curva. Pertanto al fine di contenere entro limiti accettabili il braccio a terra trasversale si preferisce solitamente inclinare trasversalmente l’asse di sterzata. Here is a description of this course, as it appears in the Instructor Guide.

Campanatura (Camber) La variazione di camber è dovuta anche alle forze laterali dovute al contatto ruota - strada ed ai momenti generati, che agiscono sugli elementi elastici della sospensione. In generale: 22’/1 kN Effetti su sospensioni posteriori non motrici -> Campanatura e convergenza hanno influenza diretta sulla tenuta laterale e sull’usura dei pneumatici. - Condizioni stazionarie e transitorie. - Funzionalità cinematica  comportamento di una vettura in una analisi stazionaria. Esempio: Manovra attesa o stazionaria sul classico curvone autostradale. Opel: twist beam suspension Fiat: twist beam suspension Lancia: Mac Pherson Toyota: Mac Pherson Renault: A bracci tirati Here is a description of this course, as it appears in the Instructor Guide.

La campanatura anomala Campanature anomale generano raggi di rotazione differenti Un eccessivo valore di campanatura sia positiva che negativa porta ad un consumo irregolare del pneumatico. In pratica si vengono ad avere due raggi di rotazione differenti delle due spalle del battistrada che tenderà a strisciare per compensare le differenze di velocità, con conseguente usura irregolare. L’errore o eccesso di campanatura causa la diminuzione dello spessore del battistrada relativo alla spalla avente raggio di rotolamento minore. Maggiore usura

Campanatura anomala Una ruota con campanatura anomala tende ad una direzione curvilinea. La campanatura tende a provocare una deviazione dalla marcia rettilinea della ruota di una quantità proporzionale alla sua entità.

Regolazione della campanatura Regolazione della campanatura tramite bullone eccentrico. La regolazione della campanatura in un intervento di manutenzione avviene tramite la sostituzione di bulloni originali, utilizzati per fissare il fuso a snodo ai bracci di collegamento alla scocca, con altri di diametro inferiore (o superiore) per creare o ridurre un piccolo gioco fra foro e bullone, necessario per la regolazione.

Variazioni della campanatura Variazione dell’angolo di campanatura al variare della corsa della sospensione Durante la corsa di compressione, la ruota può passare dalla condizione di campanatura nulla a quella di campanatura negativa. Mentre durante la corsa di estensione, la ruota può passare dalla condizione di campanatura nulla a quella di campanatura positiva.

Variazione della Campanatura Grafico delle variazioni di campanatura e convergenza al variare della corsa delle sospensioni Il grafico mostra la campanatura delle ruote di un ponte posteriore e le sue variazioni durante la corsa della sospensione. La campanatura si mantiene però sempre negativa. Tutto ciò è dovuto alla geometria della sospensione e dimostra come l’entità delle variazioni di campanatura durante l’escursione della sospensione, dipendenti dalle caratteristiche dei leveraggi e dalla posizione dei punti di attacco alla scocca, siano molto importanti ai fini della stabilità di marcia.

Angolo di inclinazione trasversale dell’asse di sterzata Rappresentazione dell’angolo di inclinazione trasversale dell’asse di sterzata Sospensione a quadrilatero trasversale o a parallelogrammi Sospensione Mc Pherson L’angolo di inclinazione trasversale dell’asse di sterzata è l’angolo, misurato in gradi, che tale asse (AS) forma con la verticale al terreno passante per la mezzeria del veicolo. Questo angolo si considera positivo quando il punto di incontro fra l’asse di sterzata e la verticale al terreno passante per la mezzeria del veicolo si trova al di sopra del piano stradale. L’angolo negativo non si verifica praticamente mai. Funzioni dell’inclinazione dell’asse di sterzata: Riduzione del braccio a terra trasversale, e ciò migliora la manovrabilità Dopo una sterzata deve garantire il ritorno delle ruote alla marcia rettilinea ed al mantenimento di quest’ultima nelle varie condizioni. L’inclinazione dell’asse di sterzata è un angolo che difficilmente è regolabile. Qualora se ne modifichi il valore devono essere controllati tutti gli altri.

Variazione braccio a terra trasversale Variazione del braccio a terra trasversale al variare dell’asse di sterzata. Si può ridurre il braccio a terra trasversale inclinando l’asse di sterzata, mantenendo contenuta entro limiti accettabili la campanatura delle ruote. Si tende sempre più ad equipaggiare le vetture di ultima generazione con sospensioni aventi braccio a terra negativo di un valore molto ridotto, poiché questo offre migliori doti di direzionalità e sicurezza di marcia, (con supporto dell’idroguida). Il braccio a terra positivo offre maggiore stabilità direzionale in rettilineo e dopo una curva quando tende a riportare le ruote in marcia rettilinea. Diversamente il braccio a terra negativo tenderebbe a dare l’effetto opposto nel favorire la sterzata, causando però in alcuni casi imprecisione del comando di sterzo. Ma il braccio a terra negativo permette di controbilanciare gli squilibri che si possono generare a causa di differenti valori di aderenza delle ruote direttrici di uno stesso asse. Questa geometria ha quindi la caratteristica di far sterzare verso l’interno del veicolo la ruota con maggior aderenza, bilanciando la perdita di aderenza dell’altra a tutto vantaggio della stabilità direzionale anche in presenza di fondo irregolare, ghiacciato, bagnato (aquaplaning di una ruota). Il braccio a terra trasversale è un parametro della sospensione che più degli altri è soggetto a variazioni di valore a causa della cedevolezza del fianco del pneumatico, pertanto il braccio a terra può variare fortemente su una ruota soggetta ad una forza trasversale. Per avere una buona compatibilità tra sistema ABS e braccio a terra trasversale, quest’ultimo deve avere valori piuttosto limitati.

Variazione posizione della ruota Variazione della posizione della ruota nello spazio al variare dell’angolo di sterzata. Partendo dalla posizione 1 considerata di marcia rettilinea, la ruota compie una rotazione completa attorno all’asse di sterzata AS, con inclinazione pari all’angolo “c” rispetto alla verticale. La ruota genera una sorta di cono la cui concavità è rivolta verso l’alto, ed il cui asse di simmetria, corrispondente all’asse di sterzata risulta inclinato di un angolo “c”. Partendo dalla posizione 1 di marcia rettilinea, le posizioni 2 e 3 corrispondono ad una sterzata a destra e a sinistra. Il mozzo si abbassa avvicinandosi al terreno e di conseguenza la ruota tenderebbe ad andare al di sotto del piano su cui appoggia. Non potendosi realizzare una tale eventualità, sarà la scocca a sollevarsi ponendo il sistema in una posizione di equilibrio instabile. Azionando il volante quindi si genera non solo la sterzata delle ruote , ma anche, vincendo il peso gravante su di esse, il sollevamento della scocca. Appena cessa l’azione sul volante la scocca si riporta al punto più basso (1) provocando il ritorno dello sterzo alla marcia rettilinea. Il sistema ruota-sospensione-scocca tende a portarsi naturalmente nella posizione di minima energia potenziale, con velocità proporzionale al gradiente dell’energia, opponendosi una volta raggiunta tale posizione a tutte le forze esterne che tentino di spostarlo da questa.

Angolo incluso Rappresentazione grafica dell’angolo incluso L’angolo incluso è l’angolo compreso fra l’asse di sterzata AS e il piano equatoriale E della ruota. Esso è pertanto la somma algebrica dell’angolo di inclinazione trasversale dell’asse di sterzata e dell’angolo di inclinazione della ruota o campanatura. Se il suo valore è corretto (di progetto) pur in presenza di errori di campanatura o di inclinazione trasversale dell’asse di sterzata, può essere sintomo di deformazione dei bracci della sospensione o degli attacchi alla scocca.

Angolo d’incidenza dell’asse di sterzata Rappresentazione grafica dell’angolo d’incidenza longitudinale dell’asse di sterzata e braccio a terra longitudinale. L’angolo d’inclinazione longitudinale dell’asse di sterzata è l’angolo misurato in gradi, formato da tale asse con la verticale al terreno, da un punto di osservazione laterale. Si può anche definire incidenza o “incidenza del montante”. L’incidenza è considerata positiva se l’asse di sterzata è ruotato rispetto alla verticale al terreno, nel verso opposto al senso di marcia del veicolo; L’incidenza è considerata negativa se l’asse di sterzata è ruotato rispetto alla verticale al terreno, nello stesso verso del senso di marcia del veicolo;

Braccio a terra longitudinale Rappresentazione dei tre possibili bracci a terra longitudinali. Il braccio a terra longitudinale “BL” è analogo alla inclinazione trasversale dell’asse di sterzata, e corrisponde alla proiezione a terra che permette di trovare la distanza con il punto medio dell’impronta del pneumatico, che corrisponde al braccio a terra trasversale. Se la proiezione a terra dell’asse di sterzata cade davanti alla mezzeria dell’impronta a terra del pneumatico si può definire il braccio a terra longitudinale positivo.

Incidenza di un assale rigido Rappresentazione schematica dell’incidenza di un assale rigido L’angolo di incidenza dell’asse di sterzata dà luogo ad un effetto molto importante ai fini della marcia del veicolo: Mantenimento della stabilità durante la marcia rettilinea e ritorno dello sterzo in posizione diritta dopo aver effettuato una sterzata.

Braccio a terra longitudinale Due possibili modi per ottenere lo stesso braccio a terra longitudinale: (Il prolungamento dell’asse di sterzata cade davanti al punto medio dell’impronta a terra del pneumatico). La stabilità durante la marcia rettilinea è data dalla distanza BL che rappresenta il braccio a terra longitudinale quando è positivo.

Braccio a terra longitudinale in marcia avanti Stabilità di una ruota dovuta al braccio a terra longitudinale positivo Ruote pivottanti dei carrelli:

Braccio a terra longitudinale in retromarcia Instabilità di una ruota dovuta al braccio a terra longitudinale negativo

Braccio a terra longitudinale ridotto Comportamento delle forze agenti con incidenza positiva e braccio a terra longitudinale ridotto Se la sospensione ha un angolo di incidenza che genera un braccio a terra longitudinale positivo, quando la ruota viene sterzata sposta il suo punto di contatto sul terreno modificando l’impronta a terra del pneumatico. Di conseguenza il punto su cui è applicata la forza di resistenza all’avanzamento R della ruota subisce variazioni, mentre la spinta RM agisce sempre lungo la stessa direttrice. Il momento di ritorno Mr, che viene generato con le forze R ed SM, tende a riportare la ruota in posizione rettilinea.

Braccio a terra longitudinale ampio Comportamento delle forze agenti con incidenza positiva e braccio a terra longitudinale ampio Il momento Mr sia che comporti l’allineamento oppure l’effetto sterzante, è sempre proporzionale all’entità del braccio a terra longitudinale BL.

Braccio a terra longitudinale con forze trasversali Braccio a terra longitudinale ed effetto di deviazione a causa di forze trasversali Le forze agenti sul veicolo si esplicano attraverso i collegamenti fra sospensione e ruota nel punto A (proiezione a terra dell’asse di sterzata) ad una distanza BL dal punto in cui il pneumatico tocca il terreno. Nel caso di una perturbazione laterale, come una raffica di vento, la distanza BL (braccio a terra longitudinale) tra la forza trasversale Ft e la forza di reazione Fr, genera un momento MS che tende a sterzare la ruota.

Variazione della campanatura in curva Effetto dell’incidenza sulla campanatura durante la sterzata. La campanatura varia in funzione del posizionamento e della lunghezza dei bracci oscillanti durante l’escursione della sospensione. Questo fenomeno risulta utile per migliorare il contenimento in curva, infatti la forza centrifuga comprimendo ed estendendo rispettivamente la sospensione esterna ed interna alla curva, fa assumere alla ruota esterna alla curva una campanatura negativa ed alla ruota interna una campanatura positiva. Lo stesso fenomeno si può ottenere con l’incidenza non in funzione della forza centrifuga ma in funzione dell’ampiezza di sterzata. (Vedi diapositiva successiva) Conclusione. Quando la ruota sterza attorno ad un asse orientato con un angolo di incidenza positivo, se la ruota viene a trovarsi in posizione esterna alla curva assume una campanatura negativa sempre più accentuata quanto maggiore è la sterzata, mentre se viene a trovarsi in posizione interna alla curva assume una campanatura sempre più positiva quanto maggiore è la sterzata.

Variazione della campanatura al variare della sterzata L’angolo di incidenza induce una variazione della campanatura al variare della sterzata. Per comprendere l’effetto della variazione della campanatura al variare della sterzata, supponiamo che la ruota nella posizione A, considerata di marcia rettilinea, abbia campanatura nulla; in caso di sterzata l’incidenza induce una variazione della campanatura di segno differente in funzione del verso di sterzata. Da A verso B la ruota tende ad assumere una campanatura negativa, mentre da A verso C tenderà ad assumere una campanatura positiva. (Torna alla diapositiva precedente per la conclusione) Pertanto se un veicolo percorre una curva a largo raggio (angolo di sterzata ridotto) e velocemente, sarà la forza centrifuga che, agendo sulla deformabilità delle sospensioni, tende a stabilire la posizione favorevole delle ruote; se invece la curva percorsa è molto stretta (angolo di sterzata grande) e la velocità è moderata, sarà invece l’incidenza che tende a stabilire la favorevole posizione delle ruote.

Convergenza ruote Rappresentazione grafica della convergenza totale La convergenza totale della ruota si ottiene sommando i valori della convergenza di ogni singola ruota (b + b’), dette anche semiconvergenze, e corrisponde all’angolo formato dal piano equatoriale della ruota con l’asse longitudinale del veicolo visto in pianta.

Misura della Convergenza (Toe) Misura in gradi del valore di convergenza. E’ l’angolo compreso tra il piano longitudinale della vettura e l’asse ottenuto dall’intersezione del piano ruota con il piano stradale. Il Toe-in espresso in mm è la differenza tra b e c misurato all’altezza del centro ruota. Angolo δv,o = (b-c)/2D x 57.3 x 60 (espresso in primi) Direzione Il valore della convergenza raramente è dato in gradi dal costruttore, infatti spesso il valore fornito è espresso in millimetri. Questo valore è ottenuto dalla differenza delle distanze dei cerchi ruota rispettivamente dietro e davanti al mozzo. Le due misure vengono rilevate ad una altezza da terra pari a metà ruota. La convergenza delle ruote viene stabilita dal costruttore ad un valore tale da essere circa zero nelle condizioni medie d’uso del veicolo. Here is a description of this course, as it appears in the Instructor Guide.

Variazione della convergenza con la sospensione Variazione della convergenza al variare della corsa della sospensione. Il valore della convergenza però non rimane costante durante l’uso, poiché sotto l’effetto del carico, della coppia motrice, della coppia frenante e della resistenza offerta dalla strada, si riscontrano variazioni anche di notevole entità. Quando un veicolo procede in marcia rettilinea le ruote direttrici non motrici incontrando la resistenza all’avanzamento tendono ad “aprirsi sul davanti” assumendo una posizione divergente rispetto al senso di marcia. Tale divergenza è permessa dalla somma dei giochi esistenti su tutto il sistema sospensivo e dovuti soprattutto alla flessibilità delle boccole elastiche in gomma poste negli snodi di collegamento fra i bracci della sospensione e la scocca. Definiti Silent Block.

La posizione del Silent Block Divergenza di ruote non motrici dovuta a giochi e flessibilità delle boccole elastiche. Il punto di applicazione della forza di resistenza al rotolamento R, posto nella mezzeria dell’impronta a terra del pneumatico, si trova ad una distanza A dai punti di ancoraggio B della sospensione alla scocca. Durante il moto si crea quindi un momento che tende a divaricare le ruote, nella maggior parte dei casi per compensare tale effetto occorre avere, a vettura ferma, una convergenza positiva. Il fenomeno di aumento della divergenza si accentua durante la frenatura.

La sospensione di una ruota motrice Convergenza di ruote motrici dovuta a giochi e flessibilità delle boccole elastiche. Questo caso è l’opposto del precedente Il fenomeno della variazione della convergenza, ma con effetti differenti, accade quando le ruote direttrici sono soggette alla coppia motrice del motore (trazione anteriore): In tal caso i piani equatoriali delle ruote tendono ad incontrarsi nella direzione di marcia e quindi tendono a “chiudere la convergenza”. Pur essendo presente la resistenza di rotolamento, il suo valore è di molto inferiore a quello della forza SM, dovuta alla coppia motrice del motore. La distanza fra SP e B, dove si suppone sia applicata parte della forza di inerzia Rm, dovuta alla massa del veicolo, genera un momento, rispetto a B, che tende a “chiudere la convergenza”. Nella maggior parte dei casi, per compensare tale effetto, occorre avere a veicolo fermo una convergenza negativa.

Convergenza (Toe) L’effetto del rollio sull’asse anteriore di una vettura può generare sottosterzo. Direzione Le ruote anteriori oppure le posteriori non motrici hanno una convergenza positiva a veicolo fermo. Le ruote anteriori e posteriori motrici hanno una convergenza negativa a veicolo fermo. Here is a description of this course, as it appears in the Instructor Guide.

Convergenza (Toe) Campanatura e convergenza hanno influenza diretta sulla tenuta laterale e sull’usura dei pneumatici. - Condizioni stazionarie e transitorie. - Funzionalità cinematica  comportamento di una vettura in una analisi stazionaria. Esempio: Manovra attesa o stazionaria sul classico curvone autostradale. Here is a description of this course, as it appears in the Instructor Guide.

La deriva di una ruota Variazione di traiettoria di una ruota dovuta alla convergenza. L’usura del pneumatico dovuta ad errori di convergenza è una delle situazioni più frequenti riscontrate nella pratica. Un valore di convergenza diverso da zero genera durante il moto del veicolo una traslazione laterale del pneumatico rispetto alla direzione che esso seguirebbe se fosse libero da vincoli. Se la ruota fosse libera da vincoli rotolerebbe dal punto A al punto B. Poiché essa è vincolata alla scocca del veicolo e all’altra ruota, è costretta a seguire una traiettoria inclinata rispetto a quella a cui appartiene il suo piano equatoriale andando dal punto a al punto A’, subendo pertanto una traslazione laterale pari ad A’B. L’entità della traslazione è proporzionale al valore della convergenza.

Usura del pneumatico Usura del pneumatico dovuta ad eccessiva convergenza. L’usura provocata su un pneumatico da errore di convergenza assume un aspetto caratteristico. La ruota con eccessiva convergenza tenderà a strisciare sulla strada cercando di andare, per così dire verso l’esterno del veicolo, quindi dopo una breve percorrenza si produce un seghettamento trasversale sul profilo del battistrada percepibile visivamente e al tatto.

Usura del pneumatico (2) Usura del pneumatico dovuta ad eccessiva divergenza (convergenza negativa). La ruota invece con eccessiva divergenza tenderà a strisciare verso l’interno del veicolo, producendo un seghettamento con andamento contrario al caso precedente sul profilo del battistrada percepibile visivamente e al tatto.

Angolo di spinta Rappresentazione grafica dell’angolo di spinta. Definiamo coma angolo di spinta η l’angolo formato dall’asse di spinta con l’asse di simmetria longitudinale del veicolo. L’asse di spinta corrisponde alla direzione equivalente assunta dall’asse posteriore del veicolo in funzione della convergenza totale delle ruote. Questo angolo caratteristico degli assali-ponti posteriori, determina la direzione del moto del veicolo. Il valore dell’angolo di spinta η si ottiene facendo la semidifferenza algebrica fra le convergenza destra e sinistra secondo la seguente formula. η = (± b ) - (± b’ ) 2 Quindi se l’ angolo di spinta η non è uguale a zero, significa che la direzione equivalente dell’assale posteriore non coincide con l’asse di simmetria longitudinale del veicolo che pertanto tenderà a deviare dalla traiettoria rettilinea qualora questa non venga mantenuta con la deformazione del quadrilatero dello sterzo (avanzamento della vettura a passo di cane).