Quando le persone pensano alle prestazioni automobilistiche, normalmente pensano a potenza, coppia e accelerazione da zero a 60. Ma tutta la potenza generata da un motore a pistoni è inutile se il guidatore non può controllare l'auto. Ecco perché gli ingegneri automobilistici hanno rivolto la loro attenzione al sistema di sospensione non appena hanno imparato il motore a combustione interna a quattro tempi.
Il compito di una sospensione per auto è massimizzare l'attrito tra i pneumatici e la superficie stradale, fornire stabilità allo sterzo con una buona manovrabilità e garantire il comfort dei passeggeri. In questo articolo esploreremo come funzionano le sospensioni per auto, come si sono evolute nel corso degli anni e dove si dirigerà il design delle sospensioni in futuro.
Se una strada fosse perfettamente pianeggiante, senza irregolarità, le sospensioni non sarebbero necessarie. Ma le strade sono tutt'altro che pianeggianti. Anche le autostrade appena asfaltate presentano imperfezioni sottili che possono interagire con le ruote di un'auto. Sono queste imperfezioni che applicano le forze alle ruote. Secondo le leggi del moto di Newton, tutte le forze hanno entrambe magnitudo e direzione . Un dosso sulla strada fa sì che la ruota si muova su e giù perpendicolarmente al manto stradale. L'entità, ovviamente, dipende dal fatto che la ruota stia colpendo un dosso gigante o un minuscolo granello. In ogni caso, la ruota dell'auto subisce un'accelerazione verticale mentre passa sopra un'imperfezione.
Senza una struttura intermedia, tutta l'energia verticale della ruota viene trasferita al telaio, che si muove nella stessa direzione. In una situazione del genere, i pneumatici possono perdere completamente il contatto con la strada. Quindi, sotto la forza di gravità verso il basso, i pneumatici possono tornare a sbattere contro la superficie stradale. Ciò di cui hai bisogno è un sistema che assorba l'energia della ruota con accelerazione verticale, consentendo al telaio e alla carrozzeria di guidare indisturbati mentre le gomme seguono i dossi della strada.
Lo studio delle forze in azione su un'auto in movimento è chiamato dinamica del veicolo , e devi comprendere alcuni di questi concetti per capire perché è necessaria una sospensione in primo luogo. La maggior parte degli ingegneri automobilistici considera la dinamica di un'auto in movimento da due prospettive:
Queste due caratteristiche possono essere ulteriormente descritte in tre importanti principi:isolamento stradale , tenuta di strada e in curva . La tabella seguente descrive questi principi e come gli ingegneri tentano di risolvere le sfide uniche per ciascuno.
La sospensione di un'auto, con i suoi vari componenti, fornisce tutte le soluzioni descritte.
Diamo un'occhiata alle parti di una tipica sospensione, partendo dall'immagine più grande del telaio fino ai singoli componenti che compongono la sospensione vera e propria.
Contenuti
La sospensione di un'auto è in realtà parte del telaio, che comprende tutti i sistemi importanti situati sotto la carrozzeria dell'auto. Questi sistemi includono:
Quindi la sospensione è solo uno dei principali sistemi in qualsiasi veicolo.
Con questa panoramica generale in mente, è il momento di esaminare i tre componenti fondamentali di qualsiasi sospensione:molle, ammortizzatori e barre stabilizzatrici.
I sistemi di molleggio odierni si basano su uno dei quattro modelli di base:
Basandosi su dove si trovano le molle su un'auto, cioè tra le ruote e il telaio, gli ingegneri spesso trovano conveniente parlare della massa sospesa e la massa non sospesa .
La massa sospesa è la massa del veicolo supportata sulle molle, mentre la massa non sospesa è vagamente definito come la massa tra la strada e le molle delle sospensioni. La rigidità delle molle influisce sulla risposta della massa sospesa durante la guida dell'auto. Le auto a molle larghe, come le auto di lusso (si pensi a Mercedes-Benz Classe C), possono ingoiare dossi e fornire una guida super fluida; tuttavia, un'auto del genere è incline a tuffarsi e ad accovacciarsi durante la frenata e l'accelerazione e tende a subire oscillazioni o rotolamenti del corpo durante le curve. Le auto a molle strette, come le auto sportive (si pensi alla Mazda Miata MX-5), sono meno indulgenti sulle strade sconnesse, ma riducono al minimo il movimento della carrozzeria, il che significa che possono essere guidate in modo aggressivo, anche dietro le curve.
Quindi, mentre le molle di per sé sembrano semplici dispositivi, progettarle e implementarle su un'auto per bilanciare il comfort dei passeggeri con la maneggevolezza è un compito complesso. E per rendere le cose più complesse, le molle da sole non possono fornire una guida perfettamente fluida. Come mai? Perché le molle sono ottime per assorbire l'energia, ma non tanto per dissipare esso. Altre strutture, note come ammortizzatori , sono tenuti a farlo.
A meno che non sia una struttura ammortizzante è presente, una molla dell'auto si estenderà e rilascerà l'energia che assorbe da un urto a una velocità incontrollata. La molla continuerà a rimbalzare alla sua frequenza naturale fino a quando tutta l'energia originariamente immessa in essa non sarà esaurita. Una sospensione costruita solo su molle renderebbe una guida estremamente elastica e, a seconda del terreno, un'auto incontrollabile.
Inserisci l'ammortizzatore , o snubber, un dispositivo che controlla il movimento indesiderato della molla attraverso un processo noto come smorzamento . Gli ammortizzatori rallentano e riducono l'entità dei movimenti vibratori trasformando l'energia cinetica del movimento della sospensione in energia termica che può essere dissipata attraverso il fluido idraulico. Per capire come funziona, è meglio guardare all'interno di un ammortizzatore per vederne la struttura e la funzione.
Un ammortizzatore è fondamentalmente una pompa dell'olio posto tra il telaio dell'auto e le ruote. Il supporto superiore dell'ammortizzatore si collega al telaio (cioè il peso sospeso), mentre il supporto inferiore si collega all'asse, vicino alla ruota (cioè il peso non sospeso). In un design a doppio tubo , uno dei tipi più comuni di ammortizzatori, il supporto superiore è collegato a un'asta del pistone, che a sua volta è collegata a un pistone, che a sua volta si trova in un tubo riempito di fluido idraulico. Il tubo interno è noto come tubo di pressione e il tubo esterno è noto come tubo di riserva. Il tubo di riserva immagazzina il fluido idraulico in eccesso.
Quando la ruota dell'auto incontra un dosso sulla strada e fa sì che la molla si avvolga e si svolga, l'energia della molla viene trasferita all'ammortizzatore attraverso il supporto superiore, verso il basso attraverso l'asta del pistone e nel pistone. I fori perforano il pistone e consentono al fluido di fuoriuscire mentre il pistone si muove su e giù nel tubo di pressione. Poiché i fori sono relativamente piccoli, solo una piccola quantità di fluido, sotto grande pressione, passa attraverso. Questo rallenta il pistone, che a sua volta rallenta la molla.
Gli ammortizzatori funzionano in due cicli:il ciclo di compressione e il ciclo di estensione . Il ciclo di compressione si verifica quando il pistone si sposta verso il basso, comprimendo il fluido idraulico nella camera sotto il pistone. Il ciclo di estensione si verifica quando il pistone si sposta verso la parte superiore del tubo di pressione, comprimendo il fluido nella camera sopra il pistone. Una tipica auto o autocarro leggero avrà più resistenza durante il suo ciclo di estensione rispetto al suo ciclo di compressione. Tenendo presente ciò, il ciclo di compressione controlla il movimento della massa non sospesa del veicolo, mentre l'estensione controlla la massa sospesa più pesante.
Tutti i moderni ammortizzatori sono sensibili alla velocità — più veloce si muove la sospensione, maggiore è la resistenza fornita dall'ammortizzatore. Ciò consente agli ammortizzatori di adattarsi alle condizioni della strada e di controllare tutti i movimenti indesiderati che possono verificarsi in un veicolo in movimento, inclusi rimbalzo, oscillazione, frenata e accelerazione squat.
Un'altra struttura di smorzamento comune è il strut — fondamentalmente un ammortizzatore montato all'interno di una molla elicoidale. Gli ammortizzatori svolgono due lavori:forniscono uno ammortizzatore funzionano come ammortizzatori e forniscono supporto strutturale per la sospensione del veicolo. Ciò significa che i montanti offrono un po' più degli ammortizzatori, che non supportano il peso del veicolo:controllano solo la velocità con cui il peso viene trasferito in un'auto, non il peso stesso.
Poiché gli ammortizzatori e i montanti hanno molto a che fare con la guida di un'auto, possono essere considerati caratteristiche di sicurezza critiche. Ammortizzatori e montanti usurati possono consentire un trasferimento eccessivo del peso del veicolo da un lato all'altro e dalla parte anteriore a quella posteriore. Ciò riduce la capacità di aderenza del pneumatico sulla strada, nonché le prestazioni di manovrabilità e frenata.
Le barre antirollio (note anche come barre antirollio) vengono utilizzate insieme ad ammortizzatori o puntoni per conferire ulteriore stabilità a un'automobile in movimento. Una barra antirollio è un'asta di metallo che copre l'intero asse e unisce efficacemente ogni lato della sospensione.
Quando la sospensione di una ruota si muove su e giù, la barra antirollio trasferisce il movimento all'altra ruota. Questo crea una guida più livellata e riduce l'oscillazione del veicolo . In particolare, combatte il rollio di un'auto sulle sospensioni in curva. Per questo motivo, quasi tutte le auto oggi sono dotate di barre stabilizzatrici di serie, anche se in caso contrario, i kit rendono facile l'installazione delle barre in qualsiasi momento.
Finora, le nostre discussioni si sono concentrate sul funzionamento di molle e ammortizzatori su una determinata ruota. Ma le quattro ruote di un'auto lavorano insieme in due sistemi indipendenti:le due ruote collegate dall'asse anteriore e le due ruote collegate dall'asse posteriore. Ciò significa che un'auto può e di solito ha un diverso tipo di sospensione anteriore e posteriore.
Molto è determinato dal fatto se un asse rigido vincola le ruote o se le ruote possono muoversi indipendentemente. La prima disposizione è nota come sistema dipendente , mentre quest'ultima disposizione è nota come sistema indipendente . Nelle sezioni seguenti esamineremo alcuni dei tipi comuni di sospensioni anteriori e posteriori generalmente utilizzati sulle auto tradizionali.
Le sospensioni anteriori dipendenti hanno un assale anteriore rigido che collega le ruote anteriori. Fondamentalmente, sembra una solida barra sotto la parte anteriore dell'auto, tenuta in posizione da balestre e ammortizzatori. Comune sui camion, le sospensioni anteriori dipendenti non sono state utilizzate nelle auto tradizionali per anni.
In questa configurazione, le ruote anteriori possono muoversi indipendentemente. Il pavoneggio MacPherson , sviluppato da Earle S. MacPherson della General Motors nel 1947, è il sistema di sospensione anteriore più utilizzato, soprattutto nelle auto di origine europea.
Il montante MacPherson combina un ammortizzatore e una molla elicoidale in un'unica unità. Ciò fornisce un sistema di sospensione più compatto e leggero che può essere utilizzato per i veicoli a trazione anteriore.
La sospensione a doppio braccio oscillante , noto anche come sospensione con braccio ad A o sospensione con braccio di controllo, è un altro tipo comune di sospensione anteriore indipendente.
Sebbene ci siano diverse configurazioni possibili, questo design utilizza tipicamente due bracci a forma di braccio oscillante per posizionare la ruota. Ciascun braccio oscillante, che ha due posizioni di montaggio al telaio e una al volante, supporta un ammortizzatore e una molla elicoidale per assorbire le vibrazioni. Le sospensioni a doppio braccio oscillante consentono un maggiore controllo sull'angolo di campanatura della ruota, che descrive il grado di inclinazione delle ruote dentro e fuori. Aiutano anche a ridurre al minimo il rollio o l'oscillazione e forniscono una sensazione di sterzata più coerente. Per queste caratteristiche, la sospensione a doppio braccio oscillante è comune sulle ruote anteriori delle auto più grandi.
Ora diamo un'occhiata ad alcune comuni sospensioni posteriori.
Se un asse solido collega le ruote posteriori di un'auto, la sospensione è solitamente abbastanza semplice, basata su una molla a balestra o una molla elicoidale. Nel modello precedente, le molle a balestra si agganciano direttamente all'asse motore. Le estremità delle molle a balestra si attaccano direttamente al telaio e l'ammortizzatore è fissato al morsetto che tiene la molla all'asse. Per molti anni, le case automobilistiche americane hanno preferito questo design per la sua semplicità.
Lo stesso design di base può essere ottenuto con molle elicoidali che sostituiscono le foglie. In questo caso, la molla e l'ammortizzatore possono essere montati come un'unità singola o come componenti separati. Quando sono separate, le molle possono essere molto più piccole, il che riduce lo spazio occupato dalla sospensione.
Se entrambe le sospensioni anteriori e posteriori sono indipendenti, tutte le ruote vengono montate e sospese individualmente, risultando in quelle che le pubblicità delle auto pubblicizzano come "sospensioni indipendenti a quattro ruote". Qualsiasi sospensione che può essere utilizzata sull'anteriore della vettura può essere utilizzata sul posteriore, e sugli assali posteriori sono presenti versioni dei sistemi indipendenti anteriori descritti nella sezione precedente. Naturalmente, nella parte posteriore dell'auto, la cremagliera dello sterzo, il gruppo che include il pignone e consente alle ruote di girare da un lato all'altro, è assente. Ciò significa che le sospensioni posteriori indipendenti possono essere versioni semplificate di quelle anteriori, anche se i principi di base rimangono gli stessi.
Successivamente, esamineremo le sospensioni delle auto speciali.
Sospensioni storicheI carri e le carrozze del Cinquecento cercarono di risolvere il problema di "sentire ogni urto della strada" imbracando il corpo della carrozza da cinghie di cuoio fissate a quattro montanti di un telaio che sembrava un tavolo capovolto. Poiché il corpo del carrello era sospeso al telaio, il sistema divenne noto come "sospensione", termine usato ancora oggi per descrivere l'intera classe di soluzioni. La sospensione del corpo imbracato non era un vero sistema di molleggio, ma consentiva al corpo e alle ruote del carrello di muoversi indipendentemente. I modelli a molla semiellittica, noti anche come molle del carrello, hanno rapidamente sostituito la sospensione con cinturino in pelle. Popolari su vagoni, passeggini e carrozze, le molle semiellittiche erano spesso utilizzate sia sull'asse anteriore che su quello posteriore. Tuttavia, tendevano a consentire oscillazioni in avanti e all'indietro e avevano un baricentro alto. Quando i veicoli a motore hanno iniziato a circolare in strada, sono stati sviluppati altri sistemi di molleggio più efficienti per rendere più fluida la corsa dei passeggeri.
Per la maggior parte, questo articolo si è concentrato sulle sospensioni delle auto tradizionali a trazione anteriore e posteriore, auto che guidano su strade normali in condizioni di guida normali. Ma che dire delle sospensioni delle auto speciali, come hot rod, racer o fuoristrada estremi? Sebbene le sospensioni delle auto speciali obbediscano agli stessi principi di base, forniscono vantaggi aggiuntivi unici per le condizioni di guida in cui devono navigare. Quella che segue è una breve panoramica di come sono progettate le sospensioni per tre tipi di auto speciali:Baja Bugs, piloti di Formula 1 e hot rod in stile americano.
Il Maggiolino Volkswagen, o Bug, era destinato a diventare uno dei preferiti dagli appassionati di fuoristrada. Con un baricentro basso e un posizionamento del motore sull'asse posteriore, il Bug a due ruote motrici gestisce le condizioni fuoristrada così come alcuni veicoli a quattro ruote motrici. Naturalmente, la VW Bug non è pronta per le condizioni fuoristrada con la sua attrezzatura di fabbrica. La maggior parte dei Bug richiede alcune modifiche o conversioni per prepararli a correre in condizioni difficili come i deserti della Bassa California.
Una delle modifiche più importanti avviene nella sospensione. La sospensione della barra di torsione, equipaggiamento standard sulla parte anteriore e posteriore della maggior parte dei Bug tra il 1936 e il 1977, può essere sollevata per fare spazio a ruote e pneumatici fuoristrada per impieghi gravosi. Ammortizzatori più lunghi sostituiscono gli ammortizzatori standard per sollevare la scocca più in alto e garantire la massima escursione della ruota. In alcuni casi, i convertitori Baja Bug rimuovono completamente le barre di torsione e le sostituiscono con più sistemi coil-over , un articolo aftermarket che unisce molla e ammortizzatore in un'unica unità regolabile. Il risultato di queste modifiche è un veicolo che consente alle ruote di viaggiare verticalmente di 20 pollici (50 centimetri) o più a ciascuna estremità. Un'auto del genere può facilmente navigare su terreni accidentati e spesso sembra "saltare" sul lavatoio del deserto come un sasso sull'acqua.
L'auto da corsa di Formula 1 rappresenta l'apice dell'innovazione e dell'evoluzione automobilistica. Carrozzerie leggere e composite, potenti motori V10 e aerodinamica avanzata hanno portato a vetture più veloci, più sicure e più affidabili.
Per elevare l'abilità del pilota come fattore chiave di differenziazione in una gara, regole e requisiti rigorosi governano il design delle auto da corsa di Formula 1. Ad esempio, le regole che regolano il design delle sospensioni affermano che tutti i piloti di Formula 1 devono essere dotati di sospensioni convenzionali, ma non consentono sospensioni attive controllate da computer. Per far ciò, le auto sono dotate di sospensioni multi-link , che utilizzano un meccanismo multi-asta equivalente a un sistema a doppio braccio oscillante.
Ricordiamo che un design a doppio braccio oscillante utilizza due bracci di controllo a forma di braccio oscillante per guidare il movimento su e giù di ciascuna ruota. Ogni braccio ha tre posizioni di montaggio, due sul telaio e una sul mozzo della ruota, e ogni giunto è incernierato per guidare il movimento della ruota. In tutte le auto, il vantaggio principale di una sospensione a doppio braccio oscillante è il controllo . La geometria dei bracci e l'elasticità delle articolazioni offrono agli ingegneri il massimo controllo sull'angolo della ruota e su altre dinamiche del veicolo, come sollevamento, squat e tuffo.
A differenza delle auto da strada, tuttavia, gli ammortizzatori e le molle elicoidali di un'auto da corsa di Formula 1 non si montano direttamente sui bracci di controllo. Invece, sono orientati lungo la lunghezza dell'auto e sono controllati a distanza attraverso una serie di tiranti e tiranti. Traducono i movimenti su e giù della ruota nel movimento avanti e indietro dell'apparato molla-ammortizzatore.
L'era dell'hot rod americana classica è durata dal 1945 al 1965 circa. Come i Baja Bugs, gli hot rod classici hanno richiesto modifiche significative da parte dei loro proprietari. A differenza delle Bugs, tuttavia, che sono costruite su telaio Volkswagen, le hot rod sono state costruite su una varietà di vecchi modelli di auto, spesso storici:le auto prodotte prima del 1945 erano considerate foraggio ideale per le trasformazioni hot rod perché le loro carrozzerie e telai erano spesso in buone condizioni , mentre i loro motori e trasmissioni dovevano essere sostituiti completamente. Per gli appassionati di hot rod, questo era esattamente quello che volevano, perché permetteva loro di installare motori più affidabili e potenti, come il Ford V8 flathead o il Chevrolet V8.
Un popolare hot rod era conosciuto come il T-bucket perché era basato sulla Ford Model T. La sospensione Ford di serie sulla parte anteriore della Model T consisteva in un solido assale anteriore con trave a I (una sospensione dipendente), una molla buggy a forma di U (balestre) e un braccio oscillante- asta a raggio sagomato con una sfera all'estremità posteriore che ruotava in una tazza fissata alla trasmissione.
Gli ingegneri Ford hanno costruito la Model T per andare in alto con una grande quantità di movimento delle sospensioni, un design ideale per le strade accidentate e primitive degli anni '30. Ma dopo la seconda guerra mondiale, gli hot rodder iniziarono a sperimentare con motori Cadillac o Lincoln più grandi, il che significava che l'asta del raggio a forma di braccio oscillante non era più applicabile. Invece, hanno rimosso la sfera centrale e imbullonato le estremità del braccio oscillante ai framerail. Questo "braccio oscillante diviso " il design ha abbassato l'assale anteriore di circa 2,5 centimetri e ha migliorato la manovrabilità del veicolo.
L'abbassamento dell'asse di oltre un pollice richiedeva un design nuovo di zecca, fornito da una società nota come Bell Auto. Per tutti gli anni '40 e '50, Bell Auto ha offerto assali a tubo ribassato che ha abbassato l'auto di ben 5 pollici (13 centimetri). Gli assali a tubo sono stati costruiti con tubi in acciaio liscio e resistenza bilanciata con un'aerodinamica superba. La superficie in acciaio accettava anche la cromatura meglio degli assi forgiati con trave a I, quindi gli hot rodder spesso li preferivano anche per le loro qualità estetiche.
Alcuni appassionati di hot rod, tuttavia, hanno affermato che la rigidità e l'incapacità di flettersi dell'asse del tubo hanno compromesso il modo in cui gestiva le sollecitazioni della guida. Per far ciò, gli hot rodder hanno introdotto la sospensione a quattro barre , utilizzando due punti di fissaggio sull'asse e due sul telaio. In ogni punto di montaggio, le estremità delle aste in stile aeronautico fornivano molto movimento a tutti gli angoli. Il risultato? Il sistema a quattro barre ha migliorato il funzionamento delle sospensioni in tutti i tipi di condizioni di guida.
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Pubblicato originariamente:11 maggio 2005
