La dinamica di guida di un'automobile è un campo complesso, influenzato da numerosi parametri geometrici e meccanici che lavorano in sinergia. Tra questi, il "braccio a terra" e l'"asse di sterzo" rappresentano concetti fondamentali per comprendere il comportamento di un veicolo, dalla stabilità in rettilineo alla precisione in curva, e sono elementi quotidiani per gli addetti ai lavori nel mondo delle corse automobilistiche e per chiunque abbia esperienza con i kart. Una corretta regolazione degli angoli caratteristici delle ruote può, infatti, cambiare radicalmente la dinamica di guida, permettendo al pilota di "cucirsi addosso" la macchina in base alle sue esigenze o alle condizioni della pista.
L'Asse di Sterzo e l'Angolo di Kingpin
L'asse di sterzo è un parametro cruciale che definisce la traiettoria di rotazione delle ruote durante la sterzata. Questo asse è ottenuto congiungendo i due snodi (superiore e inferiore) della sospensione. Un esempio classico si può osservare nella sospensione anteriore della Ford Model T, dove il perno di sterzo è collegato all'estremità a forchetta dell'assale anteriore, rendendo l'asse di sterzo chiaramente visibile.
Guardando l'auto frontalmente (o da dietro), l'inclinazione dell'asse di sterzo rispetto al riferimento verticale, perpendicolare al terreno, è definita "angolo di kingpin". Questo angolo è quello compreso tra l'asse verticale della ruota e l'asse attorno a cui ruota il mozzo, detto anche asse di sterzo. Nelle sospensioni MacPherson, queste hanno lo scopo di collegare il telaio all'impianto di ruote sterzanti, che trasmette l'intero peso del veicolo. Poiché le ruote devono poter ruotare da un lato all'altro, è necessario utilizzare un tipo di giunto tra il telaio e il montante collegato all'attacco dello snodo dello sterzo.
Il primo effetto dell'angolo di kingpin, spesso meno noto, è che la rotazione delle ruote attorno all'asse di sterzo inclinato genera un innalzamento dell'auto, seppur impercettibile dal guidatore. Questo sollevamento della vettura è dovuto alla rotazione delle ruote attorno all'asse di sterzo inclinato. Oltre all'innalzamento del veicolo, l'angolo di kingpin determina un aumento della campanatura delle ruote in fase di sterzata; girando lo sterzo tutto da un lato, l'effetto si nota molto sulle grosse berline tedesche BMW e Mercedes degli anni '90, osservando la ruota interna.
Nella sospensione a quadrilatero alto, lo snodo superiore viene spostato sopra la ruota, tramite un montante a collo d'oca, in modo da avvicinare l'asse di sterzo al centro della ruota. Questo accorgimento comporta notevoli vantaggi che saranno approfonditi più avanti, principalmente legati alla riduzione del braccio a terra e ai ritorni di coppia sullo sterzo.
Il Braccio a Terra: Trasversale e Longitudinale
Il "braccio a terra" è una distanza critica che influisce direttamente sul comportamento del veicolo. Esistono due tipi principali di braccio a terra: trasversale e longitudinale.
Braccio a Terra Trasversale
Il secondo effetto dell'angolo di kingpin è strettamente legato alla lunghezza del fuso di sterzo, che, assieme all'angolo di kingpin, determina il braccio a terra trasversale. Questo è la distanza, calcolata a livello del piano stradale, tra il punto di contatto dello pneumatico con la strada e l'intersezione dell'asse di sterzo con il terreno. Il prolungamento dell'asse di sterzo cade all'interno dell'area di contatto tra lo pneumatico e la strada, come raffigurato dall'alto.
Prove sperimentali indicano che è consigliabile avere un braccio a terra pari a circa il 10-25% della larghezza del battistrada. Ad esempio, per un tipico pneumatico 205/50 R16, risulterebbe un braccio a terra di circa 20,5 mm (205 mm x 10%). L'angolo di kingpin (e il braccio a terra) non è determinato solo dall'inclinazione dell'asse di sterzo, ma anche dalla lunghezza del fuso di sterzo, all'aumentare del quale cresceranno inevitabilmente sia la forza richiesta per sterzare le ruote, sia i ritorni di coppia sullo sterzo. Questi ultimi possono risultare fastidiosi e rendere l'auto meno stabile in accelerazione e frenata o sulle sconnessioni stradali.
Braccio a Terra Longitudinale e Angolo di Caster
L'angolo di caster (o di incidenza) è un altro parametro fondamentale che si osserva guardando il veicolo lateralmente. È l'angolo compreso tra l'asse di sterzo e la verticale a terra passante per il centro ruota. L'angolo di caster è positivo se l'asse di sterzo si trova inclinato verso il posteriore della vettura, ossia nel verso opposto alla direzione di marcia. La distanza, calcolata a livello del piano stradale, tra i due punti identificati dall'asse verticale passante per il centro ruota e dall'asse di sterzo prende il nome di braccio a terra longitudinale.
Il braccio a terra positivo o negativo si può ottenere sia inclinando l'asse di sterzo, sia spostando quest'ultimo parallelamente all'asse verticale passante sempre per il centro della ruota. Un angolo di caster leggermente negativo favorisce l'operazione di sterzatura e quindi la manovrabilità, ma allo stesso tempo diminuisce la stabilità in rettilineo al crescere della velocità. Al contrario, con un angolo di caster positivo o fortemente positivo, oltre ad aumentare sensibilmente la stabilità in rettilineo, si agevola il ritorno dello sterzo nella posizione di zero dopo una sterzata.
Il braccio a terra positivo, come anticipato prima nella definizione di angolo di caster positivo, fornisce migliore stabilità e facilità di ritorno dello sterzo. Tutto questo è possibile perché con il braccio a terra positivo, la ruota viene trascinata (si pensi ai carrelli dei supermercati), e quindi ogni tentativo di deviazione dalla posizione rettilinea viene annullato dal momento di riallineamento generato sia dalla forza resistente che si oppone al moto, sia dalla forza attiva che spinge il veicolo (forza motrice). Le cose si invertono completamente quando il braccio a terra è negativo. A questo punto molti potrebbero pensare che l'adozione di un braccio a terra nullo sia la soluzione migliore. Tuttavia, l'angolo di caster, il braccio longitudinale a terra e quello a centro ruota non sono parametri indipendenti; fissando due di essi si definisce inevitabilmente la posizione del terzo. Questo ci fa capire che non sempre si possono scegliere tutti i parametri a proprio piacimento al fine di ottimizzare le prestazioni di un dato sistema meccanico; spesso le scelte saranno dettate da un compromesso.
Dal punto di vista del feeling di guida, l'effetto principale del caster è il contributo dato al momento di autoallineamento, e quindi alla coppia che tende a centrare il volante e che percepiamo in fase di sterzatura. Dal punto di vista dell'handling, l'effetto principale è il recupero dell'angolo di camber in sterzata. Se l'angolo di caster è diverso da 0°, la sterzatura delle ruote causa una variazione di quota asimmetrica della scocca in corrispondenza delle sospensioni anteriori destra e sinistra. In particolare, quando esso è positivo, la ruota esterna deve ruotare sopra il suo asse di sterzo (o di king-pin) e questo comporta un abbassamento del lato esterno del muso del veicolo. La ruota interna, al contrario, tende a sollevare il suo lato poiché va a ruotare sotto il proprio asse di sterzo.
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. Attraverso il caster influiscono sul comportamento del veicolo, non solo il carico verticale, ma anche le forze che si sviluppano sullo pneumatico. Inoltre, 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 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, che è la loro posizione di equilibrio stabile.
Angoli di King Pin, Ackermann, Campanatura, Convergenza e Incidenza! - Tutto sulle Sospensioni Ep. 4
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. Riguardo quest'ultimo punto, 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.
In un grafico che illustra la variazione del camber in funzione dell'angolo di sterzatura per diversi valori dell'angolo di caster (da 0° a 12°), si nota che per angoli di caster positivi, ma piccoli, non si ha recupero di camber in sterzata.
Componenti Fondamentali del Sistema Sterzante e Sospensivo
L'allineamento delle ruote è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema sterzante e delle sospensioni dell'auto e garantisce che l'intero sistema funzioni in modo sicuro e preciso. Riportare il sistema alla sua geometria ottimale, come definito dal costruttore, può ripristinare il massimo controllo e renderà lo sterzo più confortevole e preciso.
I bracci oscillanti o trapezi sono fissati al telaio mediante boccole di gomma elastiche e allo snodo dello sterzo mediante giunti sferici. Questo tipo di boccole consente a questi componenti di essere fissati al telaio in modo da assorbire le oscillazioni e le vibrazioni della sospensione senza trasmetterle all'abitacolo. Alcune sospensioni possono avere fino a 100 punti di attacco separati e spesso utilizzano una combinazione di giunti sferici e boccole in gomma.
I giunti sferici sono un elemento cruciale per ottenere un movimento angolare. Questi componenti di collegamento consentono un movimento controllato dei bracci delle sospensioni e degli snodi dello sterzo senza trasferire carichi al meccanismo dello sterzo. Esistono due tipi di giunti sferici, a seconda che siano sollecitati dal peso del veicolo. Tutti questi elementi sono soggetti a usura e a carichi elevati che creano forti movimenti rotatori e forze radiali e assiali elevate. L'usura del cuscinetto interno è graduale e, in molti casi, difficile da notare. Al primo segno di cedimento, è essenziale sostituire il pezzo difettoso. Poiché questi componenti sono fondamentali per la sicurezza, è sempre consigliabile scegliere componenti di qualità.
I tiranti assiali collegano la cremagliera dello sterzo alla testina sterzo. Dopo aver montato queste importanti unità, è necessario controllare l'allineamento dello sterzo. Il cuscinetto del kit di montaggio, situato sulla parte superiore del montante, è installato sulla parte superiore dello stelo del montante stesso. Un consiglio importante per i professionisti del settore è di non riutilizzare mai i vecchi kit di montaggio, ma di cambiarli sempre in coppia ogni volta che si sostituiscono gli ammortizzatori, rispettando sempre le istruzioni del manuale di servizio del produttore del veicolo.
Molte auto nuove sono oggi dotate di una serie di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Questi sistemi utilizzano un'ampia gamma di sensori come telecamere, radar e lidar per rilevare gli ostacoli e misurare la posizione del veicolo. Anche l'angolo del volante svolge un ruolo importante. Ora che le funzioni ADAS rispondono automaticamente ai movimenti del volante, il pericolo di un allineamento errato diventa ancora più grave. Ogni volta che si esegue un allineamento delle ruote, è necessario verificare che le impostazioni ADAS siano convalidate e, se necessario, ricalibrate.
Angoli Caratteristici delle Ruote: Camber e Convergenza
Oltre al kingpin e al caster, altri due angoli caratteristici delle ruote, il camber e la convergenza, sono fondamentali per la dinamica del veicolo.
Camber (Campanatura)
La campanatura è l'angolo che influenza maggiormente la tenuta di strada di un veicolo. È l'angolo compreso tra l'asse verticale della ruota e l'asse attorno a cui ruota il mozzo, detto anche asse di sterzo. Nella maggior parte delle auto, anche stradali, tale angolo è negativo per far sì che la ruota esterna aderisca perfettamente al terreno durante una curva, a tutto vantaggio dell'aderenza e della sicurezza di guida. Sulle auto da corsa, ad esempio, si privilegia un camber negativo davanti per avere stabilità e aderenza in curva, mentre al posteriore, specialmente sulle auto a trazione posteriore, l'angolo è molto meno aperto, quasi nullo, per avere il massimo della trazione in fase di accelerazione. Sulle auto stradali questo parametro è quasi sempre fisso, mentre sulle auto da corsa lo si può regolare (attraverso opportuni eccentrici) per favorire la reattività generale del veicolo, migliorando la rapidità con cui è possibile "buttare" l'auto dentro la curva.
Convergenza (Toe-in/Toe-out)
La convergenza è l'angolo compreso fra i piani di rotolamento delle ruote osservando la vettura dall'alto. Riassumendo al massimo, possiamo definire questo angolo come positivo o "toe-in" se le ruote sono "chiuse", nullo se sono perfettamente parallele o negativo (o toe-out) se queste invece "guardano" verso l'esterno della macchina.
Sulle auto stradali, una leggera convergenza positiva al retrotreno è utile per migliorare la stabilità direzionale del veicolo, soprattutto in fase di percorrenza e uscita di curva. Discorso diverso in pista, dove in linea di massima si tende a usare una convergenza leggermente aperta (negativa); questo perché durante i trasferimenti di carico una convergenza negativa tende a velocizzare le reazioni della vettura (riducendone però la stabilità). Discorso simile al retrotreno: sulle auto stradali in genere si privilegia un setup tale da migliorare la stabilità dell'auto in uscita di curva e nelle accelerazioni, mentre sulle auto da corsa la soluzione ideale non esiste e dipende da auto, pilota e tracciato. L'ultima possibilità è la convergenza nulla, con le ruote esattamente parallele: questa condizione è ottima solo nei rettilinei, in quanto diminuisce la resistenza all'avanzamento delle ruote, con vantaggi in termini prestazionali, di consumo carburante e di consumo delle gomme stesse.
Dinamica del Veicolo: Sottosterzo e Sovrasterzo
La comprensione degli angoli caratteristici delle ruote è fondamentale per analizzare il comportamento dinamico di un veicolo, in particolare in relazione ai fenomeni di sottosterzo e sovrasterzo. La stabilità di un sistema è la sua tendenza a tornare al suo stato di equilibrio una volta perturbato. Allo stesso modo, il sovrasterzo è una tendenza dell'auto ad imbardare più di quanto richiesto dall'angolo di sterzo, e si tratta di un comportamento fondamentalmente instabile e legato al concetto di maneggevolezza. L'imbardata è la velocità di rotazione del veicolo intorno alla verticale e indica come l'auto risponde al comando di sterzo.
Quando si parla di risposta dinamica, è inevitabile che ci sia un transitorio, ovvero un certo lasso di tempo che separa l'input della brusca sterzata dalla risposta dell'auto in termini di imbardata. Questo è dovuto principalmente ai trasferimenti di carico che passano attraverso le sospensioni e in particolare dalle molle e gli stessi pneumatici: sino a quando il trasferimento di carico non è completato, infatti, gli pneumatici non riescono ad esercitare forze laterali. Quando le velocità iniziano a salire, la tendenza collettiva delle auto stradali è il sottosterzo. Tutto questo a velocità costante.
Quando si pesta violentemente il pedale del freno, la decelerazione crea una forza di inerzia che spinge l'auto in avanti. Questa forza ha un braccio di leva che, in genere, è tanto maggiore quanto più in alto si trova il baricentro dell'auto e, come tutte le forze munite di braccio di leva, crea un momento che tende a far ruotare il telaio dell'auto attorno ad una retta definita asse di beccheggio. In fase di percorrenza la velocità dell'auto rimane pressoché costante.
Gli pneumatici perdono progressivamente la capacità di esercitare una forza trasversale quanto più gli viene richiesto di esercitarne una longitudinale. Questo in genere dona un comportamento sovrasterzante alle auto a trazione posteriore che, se si dosa bene il gas, può compensare lo spostamento di carico che in questo caso viene sfruttato per aumentare la massima coppia trasmissibile a terra. Si capisce anche uno dei motivi per cui la maggior parte delle stradali sono a trazione anteriore; il sottosterzo, essendo un fenomeno stabile, è più facile da controllare rispetto al sovrasterzo, che richiede un pilota più esperto. Anche se molte persone, frenando in percorrenza di curva con una trazione anteriore, si sono trovate in situazioni difficili, in situazioni di emergenza, un buon pilota fa la differenza con qualsiasi auto.
In genere, in frenata le auto tendono a diventare più sovrasterzanti. Una strategia per contrastare il sottosterzo in curva è frenare più forte in modo da innescare un maggior spostamento di peso in avanti e dare più grip alle ruote anteriori a scapito delle posteriori. Anche in questo caso, spesso la ragione è un semplice errore del pilota, entrato in curva troppo velocemente. Se l'auto si dimostra particolarmente sovrasterzante in ingresso curva, però, il pilota può sfruttare questa maggiore precisione per "spigolare" maggiormente la curva, ritardando il punto di corda e migliorando l'uscita senza perdere troppo terreno in percorrenza. In questa fase è intuitivo che la gestione del sovrasterzo è decisamente più complicata di quella del sottosterzo; è anche vero però che il sovrasterzo, se gestito bene (sull'asciutto), influisce molto meno sui tempi sul giro rispetto al sottosterzo. Con un'auto a trazione anteriore abbiamo visto che in genere si va a spigolare di più la curva in ingresso. Quest'impostazione della curva consente di accelerare in uscita senza dover dare troppo angolo di sterzo.
Ovviamente quanto detto per le auto a trazione anteriore o posteriore non è una regola assoluta; specialmente quando si tratta di auto da corsa non è detto che un'auto a trazione posteriore sia stabile in frenata, anzi! Molto dipende dai settaggi di angoli caratteristici delle sospensioni e rigidezza di molle e ammortizzatori.
Angoli di King Pin, Ackermann, Campanatura, Convergenza e Incidenza! - Tutto sulle Sospensioni Ep. 4
Tutte queste proprietà tipiche delle sospensioni e dello sterzo delle vetture sono quelle su cui spesso e volentieri si giocano i millisecondi una volta in pista, differenziando i piloti-collaudatori-meccanici dai piloti che entrano nei box gridando ai meccanici "non va!". Ci vuole una sensibilità enorme per capire quando, quanto e come modificare questi parametri e non tutti ne sono capaci.