Sospensioni: lo stato dell’arte – Facciamo chiarezza su quali siano gli schemi sospensivi esistenti, sui loro rispettivi pregi e difetti e su come questi schemi influenzino il comfort, la tenuta o dinamica e il piacere di guida.
La sospensione di un’automobile è l’assieme di leve e di elementi elasticamente deformabili che, vincolando le masse non sospese con le masse sospese, ha la funzione di mantenere in sospensione la scocca, di attuare una ripartizione prestabilita delle forze variabili – forze insistenti sulle ruote sia in trazione che in curva e in frenata – e di ridurre le scosse trasmesse in seguito al passaggio del veicolo sulle asperità. La sospensione comprende quindi tutti quegli organi che collegano le ruote al telaio. In generale, essa è costituita da tre parti principali: una parte strutturale, una parte elastica ed una parte smorzante. La parte strutturale non è altro che un cinematismo, cioè un insieme di leveraggi che ha lo scopo di guidare la sospensione e quindi la ruota nel suo moto relativo rispetto alla scocca. La parte elastica fornisce la forza necessaria a sospendere il veicolo con l’aggiunta di attenuare le sollecitazioni provenienti dal mozzo ruota. La componente smorzante frena i movimenti relativi tra ruota e chassis fino ad annullarli in un intervallo di tempo ragionevole.
Insomma, la sospensione ha il compito di ridurre le sollecitazioni trasmesse al telaio, mantenere la scocca a una certa altezza da terra e mettere gli pneumatici nelle migliori condizioni possibili per trasmettere le forze a terra, aiutando la ruota a mantenere il contatto con il suolo. E’ per questo fondamentale che la sospensione lavori nel migliore dei modi possibile per far lavorare al meglio gli pneumatici e che la geometria della sospensione consenta alla ruota di seguire una cinematica adeguata a mantenere nel suo movimento tutti gli angoli geometrici quanto più possibile corretti. Per ottenere, infatti, il massimo della prestazione dalla gomma è importante avere il massimo dell’impronta a terra quando lo pneumatico è più sollecitato, mantenendo il suo movimento svincolato ma quanto più perpendicolare all’asfalto.
La sospensione ideale
Più una determinata sospensione è in grado di mantenere la ruota perpendicolare al terreno quando l’auto rolla più questo cinematismo è in grado di recuperare campanatura (Camber) durante il suo movimento cinematico. La sospensione deve quindi concedere alla ruota spostamenti esclusivamente verticali rispetto al suolo, senza introdurre variazioni negli angoli di convergenza (Toe) e di campanatura del pneumatico che altrimenti innescherebbero angoli di deriva aggiuntivi. Ma la sospensione è vincolata alla massa sospesa del veicolo e questa, per effetto di forze trasversali, assume, a causa della diversa corsa delle sospensioni interne ed esterne alla curva, un certo angolo di rollio che, se trasmesso alle ruote, provocherebbe in esse un pari angolo di campanatura. Una buona regola è quindi quella che la sospensione non imponga alla ruota nessuna variazione di questi angoli. Non dobbiamo, infatti, dimenticare che, introducendo dei vincoli deformabili elasticamente, si provocano nel veicolo delle variazioni geometriche in funzione delle entità e del posizionamento dei carichi. Inoltre, questi stessi vincoli deformabili introducono variazioni negli angoli di lavoro dei pneumatici, provocando l’insorgere di forze laterali che posso alterare in modo indesiderato la traiettoria del veicolo. Ecco perché va sempre considerato anche un altro parametro e cioè il recupero di campanatura, ovvero la variazione dell’angolo di campanatura rispetto alla massa sospesa che il cinematismo della sospensione applica alla ruota per compensare l’effetto dell’angolo di rollio.
Una sospensione, inoltre, non deve applicare per effetto dello scuotimento angoli di convergenza aggiuntivi all’angolo di sterzo misurato alla ruota. Nel caso di una sospensione sterzante, infine, sono da prendersi in considerazione anche l’angolo di incidenza (Caster), l’angolo di King-Pin e i bracci a terra (longitudinale e trasversale) della ruota perché questi determinano direttamente la capacità di ritorno del volante e lo sforzo necessario a mantenere il veicolo in traiettoria e per questo tali parametri non devono essere alterati dallo scuotimento della sospensione. Caso analogo per la carreggiata sugli assiali che non deve subire variazioni indesiderate che causerebbero un’usura prematura degli pneumatici. Va in ultimo tenuto in considerazione la rigidezza a rollio della sospensione che viene determinata dalla rigidezza a terra degli organi elastici e dall’apporto specifico delle barre antirollio, il cui effetto si manifesta nei soli movimenti asimmetrici della massa sospesa. Va però fatta una ulteriore distinzione. Esistono, infatti, tre diverse categorie di sospensioni: le sospensioni a ruote indipendenti, le sospensioni a ruote dipendenti o interconnesse e le sospensioni a ruote semi-indipendenti. Nelle sospensioni a ruote indipendenti, ciascun mozzo ruota è vincolato alla scocca del veicolo mediante un proprio cinematismo indipendente da quello del mozzo speculare a meno della barra antirollio. Nelle sospensioni a ruote dipendenti o interconnesse le sospensioni di uno stesso asse sono vincolate sia alla scocca, sia tra loro attraverso una struttura rigida. Nelle sospensioni a ruote semi-indipendenti, infine, le sospensioni di uno stesso asse sono vincolate sia alla scocca, sia tra loro attraverso però una struttura dotata di una certa flessibilità. Vediamo ora meglio gli schemi sospensivi esistenti, i loro rispettivi pregi e difetti e come questi schemi influenzino il comfort, la tenuta o dinamica e il piacere di guida.
Sospensione a ponte/assale rigido
Nella sospensione a ponte rigido le ruote dello stesso asse sono collegate rigidamente tramite un elemento portante trasversale (sospensione a ruote dipendenti). Tale elemento è chiamato assale se svolge la sola funzione portante oppure è chiamato ponte se contiene anche i semiassi e il differenziale dedicati alla trazione. Ideale nel trasporto di carichi pesanti, merito della sua robustezza e affidabilità, questo tipo di sospensione non permette il movimento disgiunto di una ruota rispetto all’altra anzi il movimento di una di queste influenza direttamente lo stato dell’altra. Un altro svantaggio è che il rollio della cassa non viene completamente contrastato perché solo le molle sono deputate al controllo di questo movimento. Infatti, la forza laterale dovuta alla curva porterà a un movimento trasversale del corpo macchina che si tradurrà in un trasferimento di peso e in una diversa risposta dello sterzo. L’eccessiva rigidità generale e la non indipendenza delle due ruote dello stesso asse portano questa sospensione ad avere una scarsa capacità nell’assorbire le asperità del terreno, specie quelle più secche, non consentondo alla stessa di garantire un’adeguata tenuta (laterale) di strada.
Ma tale rigidità di funzionamento non è portatrice di soli aspetti negativi, anzi uno dei vantaggi di questa sospensione è proprio quello di riuscire a controllare con molta sicurezza le geometria di spostamento delle ruote mantenendone verticale l’escursione di ogni gruppo ruota. In pratica non si registrano variazioni apprezzabili degli angoli caratteristici (carreggiata, convergenza e inclinazione sono sempre costanti rispetto al piano stradale anche con angolo di rollio della carrozzeria) e si garantisce una ridotta usura dei pneumatici. Nel ponte rigido, in generale, le forze laterali vengono contrastate dall’assale stesso mentre per il controllo delle forze longitudinali vanno previsti dei bracci aggiuntivi. Per evitare, infatti, che il ponte abbia movimenti trasversali od oscillazioni nocive quando viene sollecitato dalle asperità stradali si adotta una barra, detta barra Panhard, che collega un estremità del ponte direttamente alla cassa. Molto utilizzata al giorno d’oggi al retrotreno dei veicoli commerciali (robustezza) o all’avantreno di veicoli da fuoristrada(escursione), questa semplice ma pesante sospensione necessita di non poco spazio per essere installata.
Sospensione a Ponte De Dion
Nata come diretta evoluzione del Ponte Rigido, la sospensione a Ponte De Dion differisce dal Ponte Rigido per un minore peso totale. Risultato reso possibile spostando l’intero gruppo cambio e differenziale direttamente sul telaio della vettura e non più a ridosso del ponte stesso. In questo modo il gruppo trasmissione si è spostato dalle masse non sospese alle masse sospese rendendo la sospensione più stabile, precisa e più leggera. Leggerezza che si fa sentire anche sul comfort dove le sospensioni più morbide e le minori inerzie del ponte stesso garantiscono un apprezzabile aumento del comfort generale rispetto al precedente Ponte Rigido. Inalterato naturalmente il collegamento rigido tra le ruote dello stesso asse che comporta un’assenza di variazione di camber e carreggiata rispetto al terreno durante il normale movimento della sospensione, una chiara influenza di una ruota verso l’altra nell’affrontare un dosso ma nessuna influenza da parte del rollio sul camber delle stesse ruote. Anche in questo caso è possibile adottare una barra Panhard per limitare i movimenti trasversali o laterali della sospensione stessa.
Il sistema è oggi desueto e vede il suo utilizzo ridotto solo a poche utilitarie (Smart ad esempio) principalmente per una ragione: il peso. Far passare tutte le sollecitazioni per un solo componente richiede che quest’ultimo sia resistente e, di conseguenza, pesante; in più bisogna considerare il peso del Parallelogramma di Watt. Considerando che si parla di masse non sospese, l’effetto sulla dinamica del veicolo non è indifferente. E’ importante notare però che la forma triangolare del Ponte fa si che quest’ultimo lavori quasi unicamente in compressione quando si parla di forze laterali.
Sospensione a Ponte torcente (ruote interconnesse)
Nonostante sia una variazione del ponte rigido può essere considerata una soluzione a metà strada tra le sospensioni a ruote dipendenti e quelle a ruote indipendenti. In questo caso le ruote non sono montate sull’asse del ponte e il collegamento rigido è stato sostituito da un ponte a forma di U o di T progettato in modo da permettere una certa torsione. Si tratta quindi di un sistema a ruote semi-indipendenti dove le ruote, collegate tramite un braccio di leva al ponte, sono in grado sfruttare la deformazione del sistema per ottenere un certo moto relativo. Anche se differente dal ponte rigido, questa soluzione conserva la caratteristica di tenere le ruote sempre perpendicolari al terreno garantendo ottime doti di resistenza alle forze trasversali in curva. Durante gli scuotimenti simmetrici il ponte ruota intorno all’asse individuato dalla congiungente i due centri delle boccole. Durante l’escursione non causa variazioni di campanatura o convergenza se si escludono i cedimenti elastici della struttura, di solito di piccolissima entità. Negli scuotimenti asimmetrici la traversa è sottoposta a torsione e, a causa della sua deformazione, i bracci possono oscillare ciascuno con angoli diversi intorno ad assi coincidenti. La forma della traversa garantisce inoltre un’elevata rigidezza a flessione accompagnata da una modesta rigidezza a torsione garantendo variazioni dell’angolo di campanatura molto ridotte.
Progettando quindi in maniera adeguata la sezione della trave e la sua posizione rispetto al centro ruota è possibile impostare la variazione di campanatura e di convergenza. La direzione dell’asse della boccola non è parallela all’asse trasversale della vettura così da limitare la variazione di convergenza per effetto del carico laterale in curva. Infatti la flessione dei bracci, per effetto della forza centrifuga, provoca una sterzatura aggiuntiva sull’asse posteriore (auto-sterzatura). Un ulteriore sistema per limitare le deformazioni laterali dei bracci, per effetto delle forze in curva, è dato dall’utilizzo di una barra Panhard. In definitiva il Ponte Torcente garantisce un recupero quasi totale della campanatura in scuotimento asimmetrico; la possibilità di controllo della convergenza in rollio; una discreta elasticità sotto carico longitudinale, una sensibilità dell’angolo di convergenza ai carichi laterale e longitudinale e una bassa rigidezza al rollio. Occupa minore spazio ed è più facile da realizzare rispetto all’antenato Ponte Rigido ma, cosa molto più importante, garantisce maggiore comfort, stabilità e piacere di guida. Se ben progettato risulta persino superiore al sistema McPherson (al posteriore) ma non ancora al sistema Multilink o a quello a bracci trasversali.
Sospensione a bracci longitudinali (tirati e guidati)
E’ un sistema estremamente semplice nel quale il movimento di ogni ruota è reso indipendente dall’altro con enormi vantaggi quando si percorrono ad esempio strade non perfettamente asfaltate. Grazie, infatti, all’installazione di bracci longitudinali o paralleli al senso di marcia della vettura è stato possibile non solo disaccoppiare il movimento delle due ruote ma anche mantenere la ruota il più possibile parallela al piano stradale nel movimento in rettilineo. Infatti, con questo sistema durante l’oscillazione la ruota rimane parallela alla scocca della vettura, ma durante una curva la scocca si inclina (fenomeno del rollio), per cui anche la ruota si inclina della stessa quantità. Se il sistema di sospensione è ben progettato la singola ruota non perde mai il contatto con il terreno. Il limite di questo sistema è che supporta molto bene le sollecitazioni frontali, ma non quelle laterali, che risultano invece essere fondamentali soprattutto per la tenuta di strada in curva. In più, essendo il braccio oscillante solidale al portamozzo, in frenata e percorrenza di curva il braccio tende a flettere verso l’interno del parafango dando alla ruota un angolo di divergenza che destabilizza l’assale posteriore rendendo l’auto nervosa.
Il problema può però essere risolto tramite un sistema “semi-trailing arm”. Il fulcro della sospensione in questo caso non è ortogonale alla direzione di marcia, ma presenta un certo angolo. Questa inclinazione permette alla ruota di aumentare il camber durante la compressione, e di diminuirlo durante l’estensione. Si cerca così di mantenere il camber rispetto al terreno il più costante possibile. Molto spesso, poi, le sospensioni a bracci longitudinali, come le altre sospensioni a ruote indipendenti, richiedono la presenza di barre di torsione stabilizzatrici che, realizzando un collegamento elastico tra ruote coassiali, ne impediscono i movimenti eccessivamente “indipendenti” (e nocivi per la stabilità). In alcuni casi ha assunto il ruolo di barra stabilizzatrice una molla a balestra, disposta trasversalmente e che fungeva anche da elemento elastico. I due bracci della sospensione hanno il medesimo asse di oscillazione trasversale rispetto al veicolo quindi durante gli scuotimenti si presentano delle alterazioni cinematiche del passo ma non della convergenza. L’angolo di campanatura è in prima approssimazione uguale all’angolo di rollio della cassa. Non si verificano sotto carico variazioni per gli angoli di convergenza e di campanatura relativa alla scocca. Non vi è però recupero di campanatura e si può presentare il cedimento statico torsionale del braccio sotto carico verticale o trasversale. La deformazione dei bracci, dovuta al carico trasversale, porta infine alla sterzatura del veicolo con un contributo sovrasterzante. Nelle soluzioni a bracci guidati, invece, le aste trasversali permettono un recupero di campanatura simile a quello che si avrebbe in una sospensione a quadrilatero. I movimenti longitudinali poi non provocano indesiderate variazioni degli angoli di convergenza.
Sospensione a quadrilateri deformabili (o a doppio quadrilatero)
Caratterizzato da due bracci triangolari oscillanti e sovrapposti, uno inferiore e uno superiore, che insieme formano un quadrilatero, questo tipo di schema risulta attualmente uno dei più efficaci. In questo caso i bracci hanno sia funzione strutturale che di guida della ruota, mentre l’ammortizzatore non ha più funzione strutturale come nel MacPherson. Se ben progettato consente di guidare la ruota con assoluta precisione, variando l’angolo di camber durante l’escursione in modo da mantenerlo il più possibile costante rispetto al terreno. Variando la lunghezza e la disposizione dei bracci è inoltre possibile variare a proprio piacimento il centro di rollio, ovvero il punto attorno cui il telaio ruota in curva. Il braccio superiore è in generale più corto di quello inferiore per garantire un opportuno recupero di campanatura. Tra i difetti troviamo una maggiore complicazione generale del sistema, un maggiore costo di progettazione, maggiori ingombri trasversali che ne rendono difficoltoso l’utilizzo su vetture con motore trasversale ed una discreta modifica della dimensione delle carreggiate con la sospensione sotto carico. Questo tipo di sospensione fu la base per la nascita della sospensione Multilink e della sospensione Quadrilatero alto, evoluzione del McPherson.
Sospensione Multilink
Nato come estrema evoluzione della sospensione a quadrilatero, il Multilink o multibraccio è un tipo di sospensione indipendente formata dalla combinazione di più bracci longitudinali e trasversali, almeno tre, che concorrono al movimento e al controllo della ruota. Può essere considerata come una sospensione a quadrilatero a centri virtuali in cui i due bracci sono costituiti ciascuno con una copia d’aste. I link trasversali e i puntoni diagonali sono collegati ad un telaio ausiliario che viene collegato alla scocca mentre i bracci longitudinali hanno il compito di collegare la ruota direttamente al telaio come negli schemi visti finora. Il vantaggio dello schema Multilink è quindi il controllo pressappoco totale della progressione geometrica su tutto l’arco di escursione della ruota quando viene sollecitata. Inoltre consente di avere grandi doti di stabilità del veicolo in ogni condizione garantendo movimenti estremamente precisi sia in senso verticale che in senso longitudinale e trasversale. Se a cinque aste, la quinta asta, detta finto sterzo, ha il compito di impedire la rotazione del montante intorno all’asse di sterzo.
Se adottata come sospensione posteriore per asse motrice, le variazioni di convergenza sono indotte anche dalla forza motrice, oltre che dai carichi scambiati e dipendono dai cedimenti elastici del sistema, con benefici effetti sulla riduzione del fenomeno di diminuzione dell’angolo di sterzo in funzione della trazione. Tale fenomeno che prende il nome di torque steering è giustificato se si ricorda il fatto che l’applicazione di una forza di trazione aumenta, a parità di forza trasversale, l’angolo di deriva delle ruote posteriori. Di solito si possono generare: variazioni di convergenza in funzione delle forze trasversali con effetto sottosterzante e stabilizzante; elasticità longitudinale acquisita senza variazioni angolari della posizione della ruota; recupero della campanatura in rollio.
Schema McPherson (anteriore e posteriore)
Composto da una molla ad elica cilindrica montata coassialmente su un ammortizzatore con funzione strutturale, lo schema sospensionistico McPherson rientra tra le geometrie a ruote indipendenti. La parte alta del gruppo viene vincolata al punto di ancoraggio della scocca mentre la parte bassa viene linkata ad un unico braccio inferiore, generalmente di forma pseudo-triangolare che ne costituisce l’articolazione nella zona più bassa. Grazie alla sua semplicità costruttiva, compattezza e basso costo progettuale è la soluzione anteriore ideale per la maggior parte delle autovetture a trazione anteriori. Principale svantaggio di questo sistema è la variazione dell’angolo di camber (campanatura) durante il movimento della ruota o il rollio della cassa. La parte superiore infatti durante il movimento si sposta molto poco in direzione trasversale, mentre la parte inferiore segue una traiettoria a semicerchio dettata dal movimento del braccio inferiore. Quando la sospensione si muove verso il tamponamento diminuisce il proprio angolo di campanatura (aumenta in valore ma con segno negativo) tentando di recuperare la campanatura causata dal rollio. Quindi, durante l’escursione, l’angolo di camber e la carreggiata variano non garantendo una trazione sempre ottimale e le ruote faticano a rimanere parallele al suolo causando una certa imprecisione di guida.
La capacità, invece, di calibrare le variazioni di assetto sotto carico assicurano una buona risposta dell’avantreno e una buona direzionalità. Una delle caratteristiche tipiche di questo sistema è che l’ammortizzatore è fissato, nella parte superiore, direttamente sul lamierato della vettura. Questo attacco è di fondamentale importanza, perché la sospensione deve essere libera di ruotare durante la compressione e l’allungamento. Nei sistemi Mac Pherson, quindi, un cuscinetto è posizionato proprio in questo punto, per garantire la perfetta libertà dell’ammortizzatore. La sospensione McPherson consente di avere elevati valori di flessibilità longitudinale a centro ruota con limitate variazioni di caster. Purtroppo il recupero della campanatura in scuotimento è determinata dalla posizione dell’attacco superiore dell’ammortizzatore. Se utilizzata al posteriore l’asta trasversale assorbe i carichi trasversali mentre i carichi longitudinali son sopportati dall’asta posta in direzione longitudinale. La flessibilità della boccola d’articolazione alla scocca può essere opportunamente progettata per ottenere un effetto sottosterzante e stabilizzante sotto l’azione delle forze trasversali. La stessa sospensione assicura un recupero della campanatura in scuotimento, variazioni di convergenza per effetto del carico laterale, la possibilità di ottenere un opportuno valore di flessibilità longitudinale e una riduzione delle masse non sospese. A livello dinamico si presenta molto poco rigida sia in termini di mantenimento dell’angolo di camber in caso di forze laterali, sia in termini di mantenimento dell’angolo di sterzo in frenata. Tutto questo si traduce in una diffusa tendenza al sottosterzo in ogni fase della curva.
Sospensione a quadrilatero alto
Come diretta evoluzione del McPherson è nato il Quadrilatero alto. Un sistema a ruote indipendenti, della famiglia dei quadrilateri deformabili, nel quale ha perso la funzione di elemento portante. Nella parte bassa permane il braccio triangolare ma nella parte alta viene introdotto un braccetto triangolare di dimensioni ridotte che, collegato con il portamozzo tramite un secondo braccetto ricurvo, funge da elemento portante. In molti casi è possibile posizionare l’asse di sterzatura in modo da garantire un braccio a terra trasversale, piccolo o negativo, adottando angoli di campanatura ragionevoli. Come noto, il braccio a terra negativo offre vantaggi in termini di stabilità in frenata. Inoltre si riducono i valori di coppia agenti sul volante per effetto del ritorno dello sterzo o per valori diversi di forza motrice trasmessa dalle due ruote. Grazie a questa soluzione è stato possibile sfruttare le qualità di una sospensione a quadrilatero con i vantaggi in termini di spazio di una sospensione McPherson.
