Architetture delle sospensioni, geometria e guida delle ruote

L’architettura della sospensione determina come viene vincolata la ruota mentre si muove, sterza e trasmette forze. Denominazioni come MacPherson, doppio braccio oscillante e multilink descrivono disposizioni di bracci e snodi; da sole non prevedono il comportamento completo in termini di comfort e dinamica introdotto in EV suspension overview.

Cinematica e cedevolezza

Un portamozzo può traslare e ruotare nelle tre dimensioni. I bracci della sospensione vincolano la maggior parte di questi gradi di libertà, consentendo al contempo una traiettoria progettata in compressione ed estensione. La cinematica descrive questo movimento geometrico ideale. L’elastocinematica, o cinematica della cedevolezza, descrive il movimento aggiuntivo causato dalla deformazione di boccole, snodi, bracci, telaietti e scocca sotto la forza dello pneumatico.

Entrambe sono importanti. Un’architettura può presentare una campanatura desiderabile su un banco geometrico, ma acquisire una convergenza indesiderata in frenata perché una boccola si deforma. Al contrario, una cedevolezza orientata con cura può assorbire un urto o aggiungere convergenza stabilizzante sotto carico laterale. Lo sviluppo moderno combina quindi simulazione multibody, modelli di rigidezza, prove di cinematica e cedevolezza, verifiche di durata e taratura su strada. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance

I principali termini geometrici sono:

Campanatura: inclinazione della ruota vista frontalmente. La sua variazione con l’escursione e il rollio della scocca influenza il modo in cui lo pneumatico poggia sulla strada.
Convergenza: orientamento delle ruote verso l’interno o l’esterno visto dall’alto. Una variazione indesiderata della convergenza con l’escursione è comunemente detta sterzatura indotta.
Incidenza, inclinazione dell’asse di sterzo e avancorsa: geometria dello sterzo vista frontalmente e lateralmente, che influenza autoraddrizzamento, sforzo al volante e sensibilità alle perturbazioni.
Raggio di sterzata a terra: distanza laterale sulla strada tra l’intersezione dell’asse di sterzo e il centro dell’impronta a terra. Influenza le forze sullo sterzo in frenata e in presenza di aderenza disomogenea.
Centro di rollio: rappresentazione geometrica usata per analizzare come la forza laterale si ripartisce tra le forze nei bracci della sospensione e il rollio elastico della scocca. Non è una cerniera fisica e si sposta con la posizione della sospensione.
Geometria anti-affondamento e anti-squat: orientamenti dei bracci che instradano parte della forza longitudinale dello pneumatico attraverso gli elementi della sospensione per contrastare il beccheggio della scocca. Valori eccessivi possono trasmettere più perturbazioni alla scocca.
Rapporto di movimento: relazione tra l’escursione della ruota e quella della molla o dell’ammortizzatore. Modifica la rigidezza alla ruota, la velocità dell’ammortizzatore e le forze richieste ai componenti.

Non esiste un singolo valore geometrico «migliore». Gli obiettivi dipendono dal comportamento degli pneumatici, dal baricentro, dalle carreggiate, dal passo, dallo schema di trazione, dalla distribuzione della frenata, dallo sterzo, dall’aerodinamica e dall’impiego previsto.

Architetture indipendenti, accoppiate e dipendenti

Con una sospensione indipendente, una ruota può muoversi verticalmente senza che un assale rigido imponga lo stesso movimento alla ruota opposta. I due lati restano comunque accoppiati attraverso la scocca, il telaietto, la barra antirollio e, in alcuni sistemi, circuiti idraulici o pneumatici.

Un assale posteriore a ponte torcente è comunemente definito semi-indipendente. I suoi bracci longitudinali possono muoversi in misura diversa, ma la traversa si torce e li accoppia.

Con un assale dipendente, un elemento rigido collega i due portamozzi. Il movimento di una ruota cambia la posizione dell’assale e può influenzare direttamente quella opposta. Gli assali motori rigidi integrano in questo elemento le funzioni del differenziale e dei semiassi; uno schema De Dion collega le ruote ma fissa il differenziale alla scocca.

Queste categorie descrivono l’accoppiamento, non la qualità. Una compatta con un ponte torcente ben sviluppato può risultare più composta di un assale posteriore indipendente mal tarato, mentre un assale rigido può essere la scelta razionale per portata, durata e articolazione.

MacPherson e montanti a bracci separati

Uno schema MacPherson usa il montante molla-ammortizzatore come elemento strutturale di guida della ruota. Un braccio inferiore o più tiranti posizionano la parte bassa del portamozzo, mentre l’attacco superiore del montante e il tirante dello sterzo completano la geometria anteriore di base.

I suoi punti di forza sono il ridotto numero di componenti, un favorevole ingombro trasversale e lo spazio tra i duomi per strutture d’urto, organi di propulsione o un vano bagagli anteriore. I vincoli comprendono un elevato carico strutturale attraverso il montante e il suo attacco superiore, sensibilità all’attrito e alla rigidezza dell’attacco e un controllo indipendente di campanatura e geometria dell’asse di sterzo inferiore rispetto agli schemi con bracci superiori separati.

Gli assali a montante detti «a doppio snodo», «a doppio asse» o «a doppio perno» dividono la funzione di controllo inferiore tra due bracci e creano un punto di sterzo inferiore virtuale. Restano schemi della famiglia MacPherson, ma il perno virtuale offre agli ingegneri più libertà su raggio di sterzata a terra, perturbazioni dello sterzo e percorsi delle forze. La descrizione di BMW del proprio assale a montante con doppio snodo mostra perché è fuorviante ridurre ogni schema MacPherson a un solo braccio oscillante inferiore. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Doppio braccio oscillante

Una sospensione a doppio braccio oscillante posiziona la ruota con bracci superiore e inferiore. I bracci non devono essere letteralmente a forma di A: ciascuno può essere suddiviso in tiranti separati, mentre molla e ammortizzatore possono agire direttamente o tramite un bilanciere o un puntone.

Geometrie superiore e inferiore separate danno agli ingegneri notevole libertà nel definire guadagno di campanatura, movimento del centro di rollio, posizione dell’asse di sterzo ed effetti anti-affondamento o anti-squat. Possono inoltre offrire una struttura rigida di guida della ruota con l’ammortizzatore separato dai carichi di sterzo.

Il costo è in spazio e numero di componenti. Un braccio superiore compete con l’ingombro dello pneumatico, la struttura della scocca e lo spazio del bagagliaio anteriore; bracci corti possono produrre variazioni geometriche marcate, mentre quelli lunghi richiedono spazio. L’etichetta non riscatta una geometria mal scelta.

Multilink

«Multilink» descrive una famiglia, non un meccanismo standard. Bracci distinti controllano diverse combinazioni di movimento longitudinale, laterale e rotatorio. Posizioni, tipi di snodo e rigidezze determinano il risultato.

Un sistema di guida a cinque bracci impiega spesso cinque elementi indipendenti per vincolare cinque dei sei gradi di libertà del portamozzo, lasciando il movimento previsto della sospensione. I progetti reali sono meno ordinati di questa descrizione da manuale: un braccio oscillante può contare come un elemento o come due tiranti, un tirante di convergenza può sterzare attivamente e i costruttori usano convenzioni diverse.

Il valore di uno schema multilink è la libertà di taratura. Gli ingegneri possono separare il controllo della convergenza da quello della campanatura, indirizzare le forze di frenata e trazione attraverso boccole diverse e posizionare molla e ammortizzatore in funzione del bagagliaio o del motore. I costi sono un maggior numero di snodi, tolleranze da gestire più strettamente, allineamento più complesso e maggiori possibilità che cedevolezza o usura alterino il comportamento.

L’attuale Porsche Taycan dimostra la distinzione tra categoria ed esecuzione: Porsche specifica una guida anteriore a doppio braccio oscillante e un retrotreno multilink in alluminio forgiato, per poi combinare questi schemi con molle pneumatiche e ammortizzatori controllati. La costruzione non indica al lettore quale tecnologia di molla o ammortizzatore sia installata. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Bracci longitudinali e ponti torcenti

Un braccio longitudinale ruota principalmente attorno a un asse trasversale davanti alla ruota. È compatto e strutturalmente diretto per i carichi longitudinali, ma una versione semplice offre un controllo indipendente limitato di campanatura e convergenza. I bracci semi-longitudinali inclinano l’asse di rotazione e accoppiano deliberatamente l’escursione della ruota alle variazioni di campanatura e convergenza.

Un ponte torcente collega due bracci longitudinali mediante una traversa progettata per torcersi. Questo elemento posiziona le ruote e fornisce parte della rigidezza al rollio dell’assale, potendo eliminare una barra antirollio separata.

Lo schema è compatto, leggero per numero di componenti ed economico e può preservare spazio prezioso sotto il pianale e nel bagagliaio. I movimenti delle ruote e la cedevolezza sono più strettamente accoppiati rispetto a un assale completamente indipendente, e un elevato carico posteriore o obiettivi ambiziosi di comfort e comportamento possono rendere difficile ottimizzare contemporaneamente traversa, boccole e attacchi alla scocca. Gli studi tecnici mostrano comunque che la geometria della traversa e l’orientamento delle boccole offrono un significativo margine di taratura; «ponte torcente» non è un giudizio completo sul telaio. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Assali rigidi e guida mediante balestre

Un assale rigido mantiene fissa rispetto all’assale la relazione di campanatura tra le due ruote e offre percorsi di carico robusti e semplici. Rimane pertinente per furgoni, pick-up e fuoristrada, dove portata, traino, articolazione e durata possono prevalere sugli svantaggi di massa non sospesa e isolamento.

Le balestre possono sostenere la scocca e posizionare longitudinalmente un assale, riducendo il numero di bracci. Gli assali dipendenti più sofisticati impiegano bracci di controllo separati, una barra Panhard o un parallelogramma di Watt per posizionare l’assale, mentre molle elicoidali o pneumatiche sostengono il carico.

Poiché il differenziale e gran parte della trasmissione si muovono con un ponte motore, la massa non sospesa può essere elevata. Un assale De Dion mantiene il differenziale solidale alla scocca, riducendo questa penalizzazione pur conservando l’accoppiamento laterale tra le ruote.

La geometria non è la taratura

Due veicoli elettrici con la stessa architettura dichiarata possono comportarsi diversamente a causa di:

rapporti di movimento di molle e ammortizzatori;
altezza di marcia statica ed escursione utile in compressione ed estensione;
rigidezza, direzionalità e attrito delle boccole;
rigidezza del telaietto e dei suoi attacchi alla scocca;
rigidezza della barra antirollio e cedevolezza dei supporti;
offset delle ruote, costruzione e pressione degli pneumatici e massa non sospesa;
obiettivi e tolleranze di allineamento;
software di sterzo, frenata e telaio attivo.

Per questo suspension springs, suspension dampers e active suspension sono parti separate di questa serie.

Che cosa devono verificare acquirenti e proprietari

Considerare il nome dell’architettura come punto di partenza. Cercare l’esatta costruzione anteriore e posteriore, verificare se le ruote posteriori sterzanti o il controllo attivo della convergenza la modifichino e se i pacchetti opzionali sostituiscano molle, ammortizzatori o entrambi.

L’allineamento delle ruote va valutato all’altezza di marcia e con il carico prescritti. Abbassare o sollevare il veicolo, oppure montare ruote con un offset diverso, può modificare campanatura, convergenza, sterzatura indotta, posizione del centro di rollio, angoli dei semiassi ed escursione residua. I bracci con boccole in gomma possono inoltre dover essere serrati nella posizione di progetto prescritta; bloccarli con la sospensione completamente estesa può precaricare le boccole alla normale altezza di marcia.

Su strada, valutare il risultato: precisione dello sterzo sui dossi, stabilità in frenata, movimenti laterali della testa su sollecitazioni alternate, rumore degli pneumatici, isolamento degli urti e modo in cui l’auto si assesta. L’architettura crea possibilità. Geometria, cedevolezza e taratura decidono quanto di quel potenziale raggiunge il conducente.