L'angolo di sterzo, o angolo di incidenza (spesso chiamato "caster" in inglese), è uno dei parametri geometrici fondamentali che influenzano in modo significativo la dinamica di un veicolo e, di conseguenza, il feeling di guida e la comodità percepita dal ciclista o dal conducente. Variazioni anche minimali di questi valori possono avere un’incidenza notevole sulle sensazioni trasmesse. Nonostante la dinamica dei veicoli moderni sia oggi fortemente influenzata dai sistemi di controllo elettronico, esistono ancora parametri puramente meccanici, che non possono essere cambiati facilmente in fase di sviluppo e di sperimentazione del veicolo, ma che determinano in modo molto impattante il comportamento di guida.
Definizione e Funzionamento dell'Angolo di Caster
L'angolo di caster è l'angolo d'inclinazione dell'asse di sterzo rispetto alla perpendicolare al suolo, osservando il veicolo lateralmente. L’asse di sterzo passa attraverso il centro della ruota e si ottiene unendo virtualmente i due snodi attorno ai quali la ruota gira, lo snodo superiore e lo snodo inferiore. L’angolo di caster è quindi presente solo sulle ruote sterzanti. Nella sospensione con geometria MacPherson, una delle più comuni all’anteriore, l’asse di sterzo passa all’interno del gruppo molla-ammortizzatore, infatti è previsto un cuscinetto nella parte alta di collegamento con la scocca.
Il caster è positivo quando il perno superiore è indietro rispetto al perno inferiore rispetto alla direzione di marcia. Al contrario, è negativo quando il perno superiore è davanti al perno inferiore. È importante sottolineare che tutti i veicoli moderni presentano un caster positivo.
Il rake, invece, è la distanza lineare tra il prolungamento virtuale del tubo sterzo e il centro dei forcellini. L'altezza da terra dell'asse anteriore rispetto a quello posteriore (chiamata rake) è legata direttamente all'angolo di caster, essendo quest'ultimo in relazione con un riferimento assoluto, cioè la verticale rispetto al suolo.
L'Angolo di Caster e il Braccio a Terra Longitudinale
L'angolo di caster determina a sua volta un altro parametro importante: il braccio a terra longitudinale. Sempre osservando il veicolo lateralmente, il braccio a terra longitudinale è la distanza tra il centro della ruota e il punto di congiungimento tra il terreno e l’asse di sterzo. Come il nome suggerisce, esso rappresenta il braccio che, combinato alla forza tangenziale che agisce sull’area di contatto dello pneumatico con l’asfalto, restituisce una coppia, o momento, che si oppone alla rotazione della ruota attorno all’asse di sterzo.
È logico intuire che, a parità di angolo di caster, il braccio a terra longitudinale vari a seconda del raggio di rotolamento (cioè la distanza tra il centro della ruota e il suolo), che a sua volta è influenzato, oltre che dalla misura dello pneumatico e del cerchio, dalla pressione di gonfiaggio e dall’usura del battistrada. Un braccio longitudinale a terra positivo stabilizza il veicolo su traiettorie rettilinee in quanto anche la forza di resistenza al rotolamento tende ad autoallineare le ruote. Il classico esempio che viene fatto in questo caso è quello del carrello della spesa o del passeggino per bambini. In qualunque direzione si spinga il carrello, le ruote sterzeranno fino a portare il proprio centro in posizione arretrata rispetto al loro asse di sterzo: è questa la loro posizione di equilibrio stabile.
Effetti dell'Angolo di Caster sul Feeling di Guida e l'Handling
Il primo scopo dell'angolo di caster, con una funzione simile all’inclinazione della forcella di una moto o di una bicicletta, è quello di dare stabilità alle ruote sterzanti, che altrimenti risulterebbero ingovernabili. Essendo il centro dell’area di contatto a una certa distanza dal prolungamento dell’asse di sterzo, si genera un momento (una coppia) di riallineamento ogni volta che si cerca di deviare la ruota dalla marcia rettilinea. Questo momento auto-allineante lo si avverte ogni volta che si sterza il volante, notando una certa opposizione dello stesso, che tende a tornare al “centro”, cioè all’angolo zero.
Dal punto di vista del feeling di guida, l’effetto principale è rappresentato dal contributo dato dall’angolo di caster al momento di autoallineamento, e quindi alla coppia che tende a centrare il volante e che percepiamo in fase di sterzatura. Se l’angolo è piccolo, il riallineamento sarà lento e blando, viceversa con angoli più elevati si ha un ritorno più marcato dello sterzo e una maggiore durezza dello stesso. L’entità del momento auto-allineante dipende anche dalla velocità e dal peso della vettura: una vettura più pesante, a parità di angolo e di braccio a terra, avrà un maggior ritorno sullo sterzo. Con l’introduzione dei servosterzi elettrici, al posto dei precedenti elettro-idraulici, è oggi possibile variare la forza restituita sul volante in modo artificiale, settando per esempio più livelli di intensità a seconda della modalità di guida selezionata. Si tratta in questo caso di un aumento di durezza “artificiale” che restituisce un feeling di sterzo meno sincero e meno preciso nel riportare al valore zero il volante, perché interviene solo sul comando e non sulla reale impronta a terra.
Nelle vetture a trazione anteriore, si tende ad adottare un valore piccolo dell’angolo di caster per non avere un eccessivo momento di autoallineamento. Infatti, dato che in tali veicoli la coppia è trasmessa all’asse sterzante, c’è già un contributo delle forze di trazione al momento di autoallineamento. In tal caso, non è raro l’uso di un angolo di caster positivo piuttosto piccolo con braccio longitudinale a centro ruota negativo e braccio longitudinale a terra positivo, ma ovviamente ridotto. In tal modo si ottiene l’effetto stabilizzante in rettilineo, si contengono gli svantaggi dovuti ad un elevato braccio longitudinale a terra e non si ha un eccessivo momento di autoallineamento.
L'Angolo di Caster e il Recupero di Camber in Curva
In curva, il caster assume ancora più importanza, perché si verifica la variazione dell’entità dell’angolo di campanatura (o camber) delle ruote sterzanti. Più precisamente la ruota esterna tenderà verso un camber più negativo (il segno meno è quando la parte alta della ruota si inclina verso il centro della vettura), mentre la ruota interna verso un camber positivo. Ciò avviene in maniera proporzionale, ovvero maggiore sarà l’angolo di caster e maggiore sarà l’effetto della variazione del camber in curva (il camber che si ottiene in curva è chiamato camber dinamico). Questo va a vantaggio di una migliore distribuzione della forza verticale che agisce sullo pneumatico esterno in curva e quindi maggiore tenuta di strada. L’effetto è chiamato “recupero di camber”, cioè la capacità della sospensione di aumentare il camber in curva, evitando che lo pneumatico esterno veda spostarsi la propria area di contatto verso la parte esterna del battistrada, diminuendo la propria capacità di scambiare forza laterale.
A differenza dell’angolo di kingpin, che provoca l’effetto indesiderato del camber positivo sulla ruota esterna, l’angolo di caster produce invece un effetto favorevole. In altre parole, se in fase progettuale è stato selezionato un kingpin elevato, per ridurre la sensibilità di sterzo alle irregolarità stradali o per avere un braccio a terra trasversale negativo, un buon angolo di caster aiuta a mitigare l’effetto negativo del kingpin sul camber. La relazione tra questi tre angoli, caster, camber e kingpin, è molto stretta ed è determinante nel comportamento dinamico della vettura.
È possibile apprezzare l’andamento della variazione relativa di quota tra il suolo ed uno degli attacchi della sospensione al veicolo. Gli angoli di sterzatura negativi rappresentano la ruota esterna alla curva, quelli positivi la ruota interna. È ovvio che il carico verticale agente sull’asse anteriore dà un contributo autosterzante al volante sul lato dove si verifica l’abbassamento del muso, cioè sul lato esterno. Esso dà invece un contributo autoallineante sulla parte interna, cioè dove il muso viene sollevato. La situazione cambia nel percorrere una curva. In tale circostanza, a causa del trasferimento di carico, il lato esterno del veicolo risulta più caricato di quello interno. Come abbiamo detto in precedenza, attraverso il caster influiscono sul comportamento del veicolo, non solo il carico verticale, ma anche le forze che si sviluppano sullo pneumatico.
In fig. 4 è riportato il grafico di un semplice modello cinematico di una ruota sterzante. In ascissa troviamo l’angolo di sterzatura della ruota (negativo per la ruota esterna alla curva, positivo per quella interna). In ordinata c’è il valore dell’angolo di camber (per semplicità è posto il valore iniziale pari a zero). Si noti che per angoli di caster positivi, ma piccoli, non si ha recupero di camber in sterzata.
Il Compromesso nella Progettazione
L’angolo di caster, il braccio longitudinale a terra e quello a centro ruota non sono parametri indipendenti: in particolare, fissando due di essi si definisce inevitabilmente la posizione del terzo. Immaginiamo, ad esempio, di fissare l’angolo di caster: a seconda del valore che si darà al braccio longitudinale a centro ruota, si avrà un certo braccio longitudinale a terra. Questo discorso è importante perché ci fa capire che non sempre (anzi quasi mai) possiamo scegliere tutti i parametri a nostro piacimento al fine di ottimizzare le prestazioni di un dato sistema meccanico: spesso le nostre scelte saranno dettate da un compromesso.
Ricapitolando, l’aumento dell’angolo di caster produce effetti positivi sul comportamento dinamico della vettura e sul feeling di guida. Ma se il caster è troppo elevato, si può incorrere in un notevole sforzo sul volante per curvare, oppure in valori eccessivi di campanatura della ruota esterna in curva, quindi con una ridotta capacità di scambiare forza laterale.
Il valore dell’angolo di caster è solitamente compreso tra i +3 e i +5 gradi ed è solitamente più accentuato sulle auto a trazione posteriore. Infatti, su quelle a trazione anteriore e a trazione integrale esso tende ad essere più contenuto, perché esiste già un effetto auto-allineante causato dalla motricità, che produce uno spostamento in avanti del centro dell’area di contatto dello pneumatico, il quale genera un momento che tende a riportare le ruote parallele al senso di marcia.
Per garantire che il valore di angolo di caster delle due ruote dello stesso asse sia quanto più possibile lo stesso, è importante la precisione costruttiva e di assemblaggio della scocca del veicolo, per evitare uno spiacevole effetto di “tiro” laterale del veicolo.
Angolo di Caster Variabile
Come avevamo anticipato in precedenza l’angolo di caster influisce sulla variazione dell’angolo di camber (o campanatura) durante una manovra di sterzatura. Adottando elevati valori positivi per l’angolo di caster è possibile portare la ruota esterna alla curva in condizioni di camber negativo incrementando, in tal modo, la tenuta in curva dell’asse.
Per ottenere un caster variabile occorre che i punti di snodo dello sterzo non siano cerniere fisse ma si muovano con il variare dell’angolo di sterzo. In questo caso, le cerniere quindi non possono essere snodi fisici, ma devono essere realizzate tramite l’utilizzo di un doppio snodo. Realizzando un doppio snodo (uno per ogni braccio di collegamento), la cerniera diventa “virtuale” e corrispondente al punto di congiunzione del prolungamento dei due bracci. La posizione nello spazio della cerniera virtuale varierà a seconda dell’angolo di sterzo e quindi anche l’angolo di caster sarà variabile. Le cerniere virtuali possono essere realizzate sia per i bracci inferiori che per quelli superiori.
La possibilità di variare l’angolo di caster in funzione dell’angolo di sterzo è molto vantaggiosa perché permette di massimizzare i vantaggi senza incorrere negli inconvenienti tipici di un caster troppo elevato, come un eccessivo ritorno di sterzo o un valore di camber troppo accentuato in curva. Con un caster variabile, si può inoltre rendere più lineare l’aumento dello sforzo sul volante al crescere dell’angolo di sterzatura (andamento che solitamente è di tipo esponenziale) e ottenere un angolo di camber che possa meglio adeguarsi alle condizioni dinamiche in curva.
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Considerazioni Specifiche per le Biciclette
Anche nel mondo delle biciclette, l'angolo di sterzo (o angolo del tubo sterzo) è un parametro cruciale. Nelle bici “moderne” stiamo assistendo ad un cambiamento importante: un progressivo allungamento dei foderi (con relativa riduzione del tubo sterzo), necessario per ospitare con facilità coperture dalla sezione maggiore rispetto al passato. Questo influisce direttamente sull'angolo di sterzo e sulla conseguente stabilità e maneggevolezza.
Per esempio, in una discussione tra ingegneri, si è evidenziato che variazioni nell'inclinazione dell'angolo di sterzo possono causare differenze significative nel passo (interasse) del telaio. Se si lascia inalterata la misura dell'orizzontale, facendo perno per la variazione dell'inclinazione sulla congiunzione alta dello sterzo, si avrà una differenza nel passo di circa 1,5 cm, una variazione non trascurabile.
Inoltre, un angolo di sterzo più "aperto" (più sdraiato, con un valore angolare inferiore, ad esempio 65° in una bici da enduro rispetto ai 67° di una bici meno estrema) porta maggiore stabilità sul veloce. Tuttavia, un semplice aumento dell'escursione della forcella di un centimetro, senza modificare l'angolo, non porterebbe a un aumento significativo della stabilità.
La scelta della serie sterzo e della forcella può influenzare l'angolo di sterzo e, di conseguenza, la comodità e la guidabilità. È fondamentale misurare attentamente i componenti e considerare le opzioni disponibili, come le diverse configurazioni offerte da alcuni produttori, per trovare il giusto equilibrio.
Conclusione
L'angolo di sterzo, insieme al rake e al braccio a terra longitudinale, costituisce un insieme di parametri geometrici interconnessi che definiscono profondamente il comportamento dinamico di un veicolo, sia esso un'automobile o una bicicletta. Comprendere l'influenza di questi parametri è fondamentale per apprezzare come un veicolo risponde agli input del conducente, quanto è stabile in rettilineo e quanto è agile e sicuro in curva. La ricerca dell'equilibrio ideale tra stabilità e maneggevolezza è un compromesso costante nella progettazione, dove anche variazioni minime possono generare sensazioni di guida notevolmente diverse, influenzando direttamente la comodità e la fiducia del guidatore.