Sospensioni dei veicoli elettrici: guida delle ruote, comfort e comportamento

La sospensione è il sistema meccanico ed elettronico che gestisce le forze tra gli pneumatici di un veicolo elettrico e la sua scocca. Il suo compito non è semplicemente rendere la marcia morbida: deve preservare un carico utile sugli pneumatici, controllare i movimenti della scocca, garantire un’adeguata escursione, isolare rumori e vibrazioni e mantenere il veicolo sicuro in frenata, in accelerazione e in curva.

Che cosa controlla la sospensione

Una sollecitazione della strada nasce nell’impronta a terra dello pneumatico. Lo pneumatico si deforma, la ruota e il mozzo si muovono, i bracci della sospensione guidano il movimento, la molla immagazzina energia e l’ammortizzatore trasforma parte del movimento in calore. Boccole, telaietti, sedili e struttura della scocca determinano quanta parte della perturbazione residua raggiunge gli occupanti.

Il sistema deve quindi svolgere contemporaneamente diversi compiti:

mantenere la ruota entro un intervallo utile di campanatura e convergenza durante l’escursione e la sterzata;
limitare le variazioni del carico verticale sullo pneumatico, affinché possa generare forze prevedibili in frenata, in curva e in trazione;
controllare il sollevamento verticale della scocca, il beccheggio (rotazione longitudinale) e il rollio (rotazione laterale);
assorbire le sollecitazioni della strada senza raggiungere ripetutamente i tamponi di fine corsa in compressione o estensione;
sostenere carichi variabili di passeggeri, bagagli e traino mantenendo un’altezza da terra accettabile;
isolare i rumori trasmessi dalla struttura senza rendere impreciso il posizionamento delle ruote.

Nessuna sospensione può mantenere perfettamente costante la forza dello pneumatico. Un dosso, un avvallamento o un comando dello sterzo ridistribuiscono sempre il carico, e uno pneumatico sollevato da terra non può generare forza sulla strada. L’obiettivo progettuale è controllare l’entità, la velocità e la durata di queste variazioni entro i limiti dell’aderenza e dell’escursione disponibili.

Un modello utile: scocca, ruota e strada

Il più semplice modello utile di sospensione rappresenta un angolo dell’auto con due masse mobili:

la massa sospesa: la quota di scocca, batteria, occupanti e bagagli sostenuta dalla molla;
la massa non sospesa: principalmente ruota, pneumatico, mozzo, freno e una parte degli elementi della sospensione;
la molla e l’ammortizzatore della sospensione tra queste masse;
la rigidezza e lo smorzamento dello pneumatico tra la massa non sospesa e la strada.

Questo modello a due gradi di libertà, detto «quarto di veicolo», è volutamente incompleto, ma mette in luce il compromesso fondamentale. Con una molla e un ammortizzatore passivi non è possibile ottimizzare indipendentemente un isolamento morbido della scocca, un controllo rigoroso dell’escursione e piccole variazioni del carico sullo pneumatico. La modifica di un parametro influenza più di un risultato. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Nell’approssimazione di una massa singola debolmente smorzata, la frequenza naturale della scocca è:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Qui kᵥ è la rigidezza verticale alla ruota in N/m e mₛ è la massa sospesa sostenuta in quell’angolo in kg. Nel veicolo reale le quattro ruote sono accoppiate e sono presenti anche modi propri degli pneumatici, dei sedili, delle boccole e della struttura; questa equazione è quindi uno strumento di ragionamento, non una previsione completa del comfort di marcia.

Il comfort di marcia non si riduce neppure a un unico valore universale di accelerazione. La sensibilità umana dipende dalla frequenza, dalla direzione e dalla durata delle vibrazioni, dalla postura e dagli urti transitori. La norma ISO 2631-1 valuta pertanto le vibrazioni trasmesse al corpo intero con ponderazione in frequenza, invece di considerare equivalenti tutte le accelerazioni. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

I percorsi dei carichi

I componenti della sospensione svolgono compiti differenti:

Gli pneumatici sono le prime molle e i primi ammortizzatori lungo il percorso del carico. Costruzione, pressione, dimensioni e temperatura possono modificare sia il comfort sia la risposta dello sterzo.
Le molle sostengono il carico statico e immagazzinano energia durante il movimento della sospensione. Determinano l’altezza di marcia e, insieme alla geometria, la rigidezza alla ruota.
Gli ammortizzatori contrastano il movimento relativo e dissipano energia. Nel normale progetto di un’autovettura non sostengono il peso statico del veicolo.
I tiranti, bracci, snodi e montanti vincolano la traiettoria della ruota e trasmettono forze longitudinali, laterali e verticali.
Le boccole e i supporti introducono cedevolezza e isolamento intenzionali. La loro deformazione sotto carico — l’elastocinematica — può modificare convergenza, campanatura e risposta dello sterzo.
Le barre antirollio aggiungono forza elastica soprattutto quando le ruote sinistra e destra si spostano in misura diversa.
I tamponi di compressione e di estensione diventano molle ausiliarie in prossimità dei limiti dell’escursione.
Sensori, valvole, pompe e attuatori possono variare lo smorzamento, l’altezza di marcia, la rigidezza al rollio o la forza applicata a una singola ruota.

Questi elementi non possono essere valutati isolatamente. Un ammortizzatore a basso attrito è utile solo se supporti e snodi gli consentono di reagire. Anche un sofisticato assale multilink può produrre reazioni imprevedibili dello sterzo se le boccole si deformano nella direzione sbagliata. Una molla principale morbida può offrire una marcia rigida se l’auto lavora troppo spesso sui tamponi di fine corsa.

Perché i veicoli elettrici cambiano il problema della taratura

Le leggi della sospensione non cambiano per un’auto elettrica, ma spesso cambiano i dati di partenza del progetto.

Una batteria di trazione può modificare la massa totale, la distribuzione del carico sugli assi, l’inerzia di imbardata e di beccheggio e lo spazio strutturale disponibile intorno alla sospensione. La conversione di una piattaforma esistente dalla propulsione termica a quella elettrica a batteria può quindi richiedere una nuova valutazione della rigidezza alla ruota, dello smorzamento, della rigidezza al rollio, dell’escursione, della campanatura e della convergenza, anziché un semplice aumento della rigidezza delle molle. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Alcune caratteristiche dei veicoli elettrici meritano particolare attenzione:

Una batteria montata nel pianale colloca una notevole massa sospesa nella parte bassa della scocca. Ciò può ridurre il momento di rollio generato da una determinata accelerazione laterale, ma non elimina la necessità di controllare il rollio o il trasferimento di carico tra gli pneumatici.
Una massa elevata aumenta l’energia coinvolta nei movimenti della scocca e le forze necessarie per arrestarli entro un’escursione finita. Tuttavia, la massa da sola non determina se un veicolo elettrico offrirà un buon comfort di marcia.
Una coppia motrice elevata e una forte decelerazione rigenerativa possono rendere più percepibili la taratura del beccheggio e le variazioni di carico sugli assi.
Ruote grandi, pneumatici larghi e freni maggiorati possono aumentare la massa non sospesa e la rigidezza degli pneumatici. Il loro effetto deve essere valutato considerando l’insieme completo ruota-pneumatico.
Con poco rumore del motore a mascherarli, urti, sibilo degli ammortizzatori, rumore di cavità degli pneumatici e sollecitazioni trasmesse dalle boccole possono risultare più udibili.
Un’altezza di marcia regolabile può proteggere la batteria su strade dissestate o abbassare la scocca alle alte velocità, ma qualsiasi vantaggio in termini di autonomia dipende dall’aerodinamica del veicolo, dalla strategia di controllo e dall’energia utilizzata dal sistema.

La conclusione corretta non è che ogni veicolo elettrico necessiti di sospensioni pneumatiche o attive. È che la distribuzione delle masse, il pacchetto ruote-pneumatici, la struttura e il ciclo di utilizzo specifici di un veicolo elettrico richiedono una taratura specifica.

Come si collegano i cinque articoli

Il nome dell’hardware riportato in una scheda tecnica racconta solo una parte della storia:

suspension layouts and wheel-control geometry spiega le architetture di guida delle ruote, la cinematica, la cedevolezza, l’allineamento e gli ingombri.
suspension springs spiega la rigidezza alla ruota, le molle elicoidali e pneumatiche, le barre antirollio, l’escursione e il sostegno del carico.
suspension dampers spiega il comportamento forza–velocità, compressione ed estensione, valvole passive e smorzamento adattivo.
active suspension distingue autolivellamento, smorzamento semiattivo, controllo attivo del rollio, controllo predittivo e sospensione completamente attiva.

L’attuale Porsche Taycan illustra bene perché questi livelli debbano essere distinti: il sistema di serie combina molle pneumatiche a due camere, ammortizzatori a due valvole a controllo continuo, una sospensione anteriore a doppio braccio oscillante e un assale posteriore multilink, mentre Porsche Active Ride aggiunge pompe idrauliche in grado di generare forze specifiche per ogni ruota. «Pneumatica», «adattiva» e «attiva» descrivono funzioni diverse nello stesso telaio. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Come valutare la sospensione di un veicolo elettrico

Una scheda tecnica non può rivelare l’attrito di primo distacco, le curve degli ammortizzatori, il comportamento delle boccole, l’escursione disponibile, la costruzione degli pneumatici o la taratura del software. Una prova su strada accurata deve quindi isolare le condizioni, anziché cercare un’unica impressione generica:

Verificare dimensioni, tipo, pressione e carico degli pneumatici prima di confrontare i veicoli.
Usare la stessa modalità di guida e un carico simile di passeggeri o bagagli.
Includere giunti a spigolo vivo, piccole ondulazioni ripetute, lunghi avvallamenti e una perturbazione su una sola ruota.
Osservare se il primo urto viene isolato e se la scocca si stabilizza dopo di esso.
Distinguere la rigidità verticale dai movimenti laterali della testa e dal rumore.
Verificare la coerenza del beccheggio durante la normale rigenerazione e frenata.
Su una strada sicura, valutare se sia necessaria una correzione dello sterzo dopo un dosso a metà curva.
Provare tutte le modalità della sospensione; un menu più ampio non garantisce un intervallo operativo più esteso o meglio controllato.

La migliore sospensione per un acquirente non è necessariamente la più morbida o la più complessa. È il sistema che mantiene un comportamento prevedibile sulle strade, alle temperature, con i carichi, gli pneumatici e le velocità che il veicolo incontrerà realmente.