Corso di Sistemi di Trazione Lezione 19: Sterzatura cinematica e handling A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015

Argomenti I problemi della guidabilità di un veicolo: Sterzatura cinematica Handling Per veicoli a 2 e 4 ruote sterzanti Prove di omologazione per veicoli Prove di steering pad Il colpo di sterzo Il docente inizia la lezione e descrive gli argomenti che tratterà. Le lezioni iniziano sempre con questa formula: “In questa lezione parleremo di: argomento 1 Argomento 2 Argomento n Ove opportuno, in questa come nelle altre slide, può essere utilizzato il seguente effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse. Per inserire nuove diapositive, utilizzare sempre l’apposita funzione di PowerPoint: Menu Inserisci Nuova diapositiva. Scegliere, eventualmente, dal Riquadro attività, un layout diverso da quello proposto in automatico, ma SEMPRE tra quelli disponibili. Evitare il layout “Solo titolo”.

Obiettivi della lezione Inquadrare il problema della sterzatura dei veicoli: per basse e alte velocità per veicoli a 2 ruote sterzanti e a 4 ruote sterzanti In funzione della deriva dei pneumatici, dell’angolo di assetto, del rollio Analizzare la guidabilità di un veicolo e la conseguente “richiesta di comportamento” al guidatore Il docente descrive gli obiettivi della lezione. Anche in questo caso può utilizzare l’ effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse.

I due “problemi” della guidabilità La capacità di manovra: rispetto degli ingombri procedure di omologazione L’inserimento in curva: manegevolezza stabilità risposta Sterzatura cinematica Handling

Sterzatura di un veicolo a due ruote sterzanti (2WS) a bassa velocità (sterzatura cinematica) A velocità molto basse i pneumatici hanno angoli di deriva trascurabili e quindi ci si avvicina alle condizioni di sterzatura cinematica: il veicolo si dispone in modo tale che la sua parte anteriore si trova all'esterno della traiettoria descritta dal suo baricentro ( > 0).

Cosa succede a bassa velocità I pneumatici: hanno angoli di deriva trascurabili effettuano movimento coincidente con la direzione del loro piano medio Veicolo disposto con angolo di assetto β>0 tale che la sua parte anteriore è all’esterno della traiettoria descritta dal suo baricentro

Sterzatura di un veicolo 2WS ad alta velocità (sterzatura dinamica) A velocità maggiori i pneumatici, per generare le forze necessarie per contrastare la forza centrifuga, lavorano con angoli di deriva elevati. La parte anteriore del veicolo si trova all’interno della traiettoria del baricentro ( < 0).

Cosa succede ad alta velocità Deriva non più trascurabile I pneumatici devono generare forze trasversali per bilanciare la forza centrifuga Angolo di assetto β<0 opposto rispetto al caso di bassa velocità (stesso raggio della curva lungo cui si muove il veicolo) Parte anteriore del veicolo interna rispetto alla traiettoria del baricentro

Veicolo a 4 ruote sterzanti (4WS) Nasce dalla necessità di superare i limiti imposti dalle 2 ruote sterzanti Non è possibile superarli con i metodi convenzionali di intervento su sospensioni e pneumatici Viene introdotto k=δP/δA δP= angolo di sterzo posteriore δA= angolo di sterzo anteriore

Sterzatura 4WS a bassa velocità (sterzata in controfase) A velocità molto basse i pneumatici hanno angoli di deriva trascurabili e quindi ci si avvicina alle condizioni di sterzatura cinematica: il veicolo si dispone in modo tale che la sua parte anteriore si trova all'esterno della traiettoria descritta dal suo baricentro ( > 0).

Cosa succede a bassa velocità (1/2) Possibilità di trascurare angoli di deriva Possibilità di ridurre il raggio minimo di sterzatura a parità di δA Riduzione di δA consente riduzione ingombri vano passaruote con conseguenti maggiori spazi per organi meccanici del vano motore e sospensioni anteriori

Cosa succede a bassa velocità (2/2) k crescente → aumento ingombro ruote posteriori Necessaria ottimizzazione k per ottenere riduzione raggio minimo di sterzatura senza incrementare eccessivamente i passaruota posteriori β=0 al limite → direzione moto veicolo coincide con direzione velocità baricentro ed è tangente alla traiettoria

Comportamento dinamico 4WS a alta velocità (sterzata in fase) A velocità maggiori i pneumatici, per generare le forze necessarie per contrastare la forza centrifuga, lavorano con angoli di deriva elevati. La parte anteriore del veicolo si trova all’interno della traiettoria del baricentro ( < 0).

Cosa succede ad alta velocità Deriva non più trascurabile Riduzione angolo di assetto β come risultato della sterzatura in fase del retrotreno k>0 Si arriva al caso limite di β=0

Quali manovre rientrano nel campo di applicazione dei due problemi? Le manovre a bassa velocità rientrano nel campo della sterzatura cinematica Le manovre ad alta velocità nel campo di quella dinamica e quindi dell’Handling

La sterzatura cinematica Definizione della geometria dei meccanismi di sterzo Determinazione degli ingombri in manovra per veicoli articolati e non Omologazione dei veicoli

Sistemi di sterzo O O Autoveicolo generico Veicolo a carrello

Veicoli articolati e loro massime dimensioni max 12.00 m max 2.50 m 4.00 m max 18.00 m max 15.50 m

Designazione delle variabili di ingombro Autotreno Autoarticolato R G Autosnodato Autovettura Semirimorchio P SA SP PR SPR LR L SAR AR<0 AR

Sterzatura di un autoarticolato X X1 X2 U L R M O" O       

Sterzatura di un autotreno    X X1 X3 X2 O O' O"  

Prova di omologazione: definizione della fascia di ingombro R min R max m12.50 m5.30 Prova di omologazione: definizione della fascia di ingombro

Esempio di test: il colpo di coda Fa Cod

La definizione di handling (1/2) La traduzione letterale è “maneggevolezza” È il comportamento dinamico del veicolo Insieme di criteri di valutazione di tutte le grandezze riguardanti sicurezza e “gradevolezza” della guida

La definizione di handling (2/2) Si misura quantificando: accelerazione centrifuga aY velocità di avanzamento del veicolo Vx angolo di assetto β velocità d’imbardata r angolo di rollio Φ angolo di sterzo δ (anteriore per 2WS, anteriore e posteriore per 4WS) angolo di beccheggio θ

La prova di steering pad Manovra di tipo statico Il veicolo si muove lungo cerchi concentrici a velocità differenti con raggi differenti L’assetto del veicolo è costante e raggiunto tramite stati di equilibrio successivi (=manovra statica) Misura, in funzione dell’accelerazione trasversale, (curve di sottosterzo) angolo di sterzo angolo di rollio angolo di assetto Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Prove di steering pad a velocità medio-alte (1/2) Veicolo sottosterzante: Risposta stabile ad azione di sterzo R costante → valore dell’angolo di sterzo δ necessario a percorrere la curva aumenta all’aumentare dell’accelerazione centrifuga aY Il veicolo costringe il conducente a sterzare ulteriormente nel verso di percorrenza della curva per mantenere il veicolo su una traiettoria curvilinea di raggio R costante Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Prove di steering pad a velocità medio-alte (2/2) Veicolo sovrasterzante: Risposta instabile ad azione di sterzo R diminuisce anche se l’angolo di sterzo δ necessario a percorrere la curva rimane costante Il veicolo costringe il conducente a controsterzare per mantenere il veicolo su una traiettoria curvilinea di raggio R costante Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Curve di sottosterzo Permettono di valutare il comportamento di una vettura Richiedono prove di steering pad per la loro costruzione Due modalità di costruzione: Vetture dotate di apposita strumentazione Simulazioni mediante software dedicati Accelerazione trasversale in funzione di angolo del volante o angolo di rollio o angolo di assetto Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Curve di sottosterzo per un veicolo 2WS – δ/aY L’esame della curva di sottosterzo ay - VOL permette di distinguere due tratti differenti: L'inclinazione del primo tratto lineare dà una indicazione del grado di sottosterzo della vettura in esame: all'aumentare della pendenza ci si trova di fronte a vetture sempre più sottosterzanti, cioè, a parità di raggio di curvatura, si deve sterzare sempre di più. La gradualità con la quale il secondo tratto, approssimativamente quadratico, "satura" fornisce un indice della "facilità" di guida: una saturazione molto brusca implica la necessità di dovere, improvvisamente, far compiere al volante una rotazione molto ampia e del tutto inaspettata per quelle che erano le condizioni di guida nell'istante immediatamente precedente.

Andamento curve sottosterzo Primo tratto rettilineo Secondo tratto parabolico (accelerazioni trasversali elevate >0.4g) dovuto a: Saturazione pneumatici Rigidezze di deriva non lineari Scorrezioni cinematiche ed elastiche delle sospensioni Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Primo tratto Fornisce indicazione del grado di sottosterzo della vettura All’aumentare della pendenza si ha a che fare con vetture sempre più sottosterzanti Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Secondo tratto Fornisce indice della “facilità” di guida del veicolo Saturazione molto brusca → necessità di far compiere al volante una rotazione molto ampia e inaspettata (rispetto alle condizioni di guida dell’istante immediatamente precedente) Si misura la “sincerità” della vettura Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Curve di sottosterzo per un veicolo 2WS – Φ/aY e β/aY L’esame della curva di sottosterzo ay - VOL permette di distinguere due tratti differenti: L'inclinazione del primo tratto lineare dà una indicazione del grado di sottosterzo della vettura in esame: all'aumentare della pendenza ci si trova di fronte a vetture sempre più sottosterzanti, cioè, a parità di raggio di curvatura, si deve sterzare sempre di più. La gradualità con la quale il secondo tratto, approssimativamente quadratico, "satura" fornisce un indice della "facilità" di guida: una saturazione molto brusca implica la necessità di dovere, improvvisamente, far compiere al volante una rotazione molto ampia e del tutto inaspettata per quelle che erano le condizioni di guida nell'istante immediatamente precedente.

Aumento di carico (1/2) Curva δ/aY: veicolo con 5 persone richiede δ poco minore del caso con 1 persona a bordo → aumento maggiore di tale differenza implica veicolo dal comportamento poco uniforme Curva Φ/aY: veicolo con 5 persone richiede incremento rollio rispetto a 1 persona a bordo → prova di steering pad (quasi statica) implica deformazione lineare (non intervengono gli ammortizzatori) Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Aumento di carico (2/2) Curva β/aY: aumento del carico porta angoli di assetto maggiori in valore assoluto → il baricentro del veicolo si sposta verso il posteriore, maggiore aderenza posteriore richiesta → i pneumatici richiedono angoli di deriva maggiori → il veicolo si dispone con angoli di assetto maggiori Le informazioni ricavabili dalla prova di steering-pad sono relative al comportamento sovra o sottosterzante del veicolo, la maggiore o minore facilità di guida, la "sincerità" di risposta alla azione di sterzo, la rigidezza al rollio e il comfort di marcia in curva.

Colpo di sterzo 2WS (1/3) Prova di tipo dinamico più diffusa Vettura viaggia in rettilineo a velocità costante (o variabile) e subisce perturbazione consistente (colpo di sterzo) Input sul volante (VOL): nascita dell'angolo ANT

Colpo di sterzo 2WS (2/3) Transitorio Output nascita dell' angolo ANT reazione a terra pneumatici anteriori YANT rotazione intorno al baricentro con velocità r nascita dell’angolo  nascita dell' angolo POST reazione a terra pneumatici posteriori YPOST Output inserimento in traiettoria della vettura

Colpo di sterzo 2WS (3/3)

Ipotesi Impulso al volante di tipo a rampa (angolo di sterzo massimo dopo un certo tempo) Velocità di avanzamento costante

Curve di colpo di sterzo L’esame della curva di sottosterzo ay - VOL permette di distinguere due tratti differenti: L'inclinazione del primo tratto lineare dà una indicazione del grado di sottosterzo della vettura in esame: all'aumentare della pendenza ci si trova di fronte a vetture sempre più sottosterzanti, cioè, a parità di raggio di curvatura, si deve sterzare sempre di più. La gradualità con la quale il secondo tratto, approssimativamente quadratico, "satura" fornisce un indice della "facilità" di guida: una saturazione molto brusca implica la necessità di dovere, improvvisamente, far compiere al volante una rotazione molto ampia e del tutto inaspettata per quelle che erano le condizioni di guida nell'istante immediatamente precedente.

Considerazioni Rampa di sterzo = perturbazione al moto Nascita ed evoluzione curve aY, r, β, Φ Fase di stabilizzazione delle grandezze = inserimento in curva Dalle curve si evince il ritardo (transitorio) fra input e output Ritardo minimo = vetture sportive Ritardo elevato per vetture adatte a utenti poco esperti Ritardo intermedio nella maggior parte delle vetture

Colpo di sterzo 4WS Input sul volante (VOL) nascita degli angoli ANT e POST Transitorio nascita contemporanea degli angoli ANT e POST reazione a terra pneumatici YANT e YPOST Output inserimento in traiettoria della vettura Diminuzione del ritardo esistente fra input e output → Transitorio più breve