Le sospensioni

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Capitolo 1 Le sospensioni

Capitolo 1

Le sospensioni

1.1 Le sospensioni nei veicoli.

Le sospensioni sono parte fondamentale dei veicoli e permettono la corretta gestione del mezzo nelle diverse situazioni stradali in cui si può trovare ad operare.

Il loro scopo principale è isolare il veicolo dalle asperità stradali garantendo continuamente l aderenza dei pneumatici col manto stradale.

Le sospensioni in questo modo, conferiscono al veicolo una maggiore sicurezza e, inoltre, rendono la permanenza dei passeggeri a bordo del veicolo più confortevole. La taratura delle sospensioni, andando a modificare il comportamento statico e dinamico delle stesse, è particolarmente importante a questo fine. Sta all abilità e all esperienza del progettista riuscire a calibrare adeguatamente le sospensioni, in modo da garantire un comportamento sicuro e affidabile in tutte le situazioni per cui il veicolo è stato predisposto e allo stesso tempo renderlo il più confortevole possibile.

I parametri da considerare nel calibrare la rigidezza delle sospensioni, sono legati alle caratteristiche fisiche del veicolo ed all uso che se ne deve fare. Si intuisce facilmente che un auto da corsa avrà delle sospensioni differenti da una monovolume o da un autocarro.

Il comportamento di una sospensione è caratterizzato dalla sua rigidezza.

Le sospensioni morbide si deformano più facilmente, assorbendo meglio le irregolarità stradali, rendendole impercettibili ai passeggeri. Allo stesso tempo originano fenomeni di rollio in curva e beccheggio nelle fasi di accelerazione e frenata, specialmente nelle manovre più impegnative a velocità elevate.

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Usando sospensioni rigide, invece, si migliora l inserimento in curva e si evita il beccheggio nelle fasi di accelerazione e frenata, a discapito del confort dei passeggeri che devono assorbire le sollecitazioni trasmesse dalle sospensioni. Inoltre, a velocità elevate, una sospensione troppo rigida può far si che la ruota salti l ostacolo anziché adattarsi ad esso, provocando il momentaneo distacco dal suolo compromettendo il controllo e la stabilità.

Con l avvento delle nuove tecnologie è stato possibile creare delle sospensioni dove i parametri caratteristici possono essere modificati dinamicamente, adattandoli alle particolari condizioni in cui il veicolo opera, realizzando così delle sospensioni attive e semi attive. Tali sospensioni sono caratterizzate dalla capacità di sfruttarne al meglio le performance variando, sotto il controllo dell utente nel caso semiautomatico o in modo indipendente nel caso automatico, i propri parametri funzionali .

Il limite principale è legato al costo che il sistema di controllo delle sospensioni comporta, spesso in proporzione troppo elevato per i veicoli di uso comune.

1.2 Principio di funzionamento delle sospensioni.

Le sospensioni passive sono le più semplici ed economiche e vengono montate sulla maggior parte dei veicoli. Sono composte essenzialmente da due componenti: una elastica e una smorzante.

Possiamo schematizzare una sospensione come un semplice modello massa-molla-smorzatore, mostrato in figura 1.1.

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Massa sospesa

K C

moto z

x

Fig 1.1 Modello semplificato di sospensione passiva.

La componente elastica è costituita da una molla elicoidale a cui viene affidato il compito di esercitare una forza tale da sostenere la struttura del veicolo e di assorbire l energia delle sollecitazioni provenienti dal suolo.

La molla, in condizioni statiche, esercita una forza Zo

Z K F

(N1.1) con Z posizione di partenza e K costante elastica della molla. La massa ₀ sospesa M, produce un accorciamento della molla tale da rispettare l equilibrio con la forza peso

m

P Mg K z F

F

(N1.2) con g accelerazione gravitazionale.

Quando sollecitata dinamicamente, la molla si comprime, accumulando un energia potenziale pari a

2

2 1

o

p K Z Z

E

(N1.3)

Non trovandosi in equilibrio, la massa sospesa inizia ad oscillare con moto armonico semplice, convertendo l energia potenziale in cinetica e viceversa.

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. 2

2 1MZ Ecin

(N1.4)

Se si incontrano una serie di ostacoli equidistanti può accadere che la sospensione venga sollecitata alla frequenza di risonanza, provocando l esaltazione delle oscillazioni fino alla rottura.

La presenza dello smorzatore origina una dispersione di energia e trasforma il moto della massa sospesa da armonico semplice ad armonico smorzato, evitando l insorgere di oscillazioni pericolose.

L altra componente fondamentale della sospensione è quindi lo smorzatore che ha due scopi principali. Il primo, come detto, è smorzare le oscillazioni dissipando l energia trasmessa dal fondo stradale alla molla, comportandosi da filtro passa basso. Il secondo è offrire una reazione vincolare che induce ad un solo grado di libertà i movimenti degli estremi della struttura, permettendogli di muoversi lungo l asse individuata dallo smorzatore stesso (asse z).

Lo smorzatore, di norma, si trova all interno della molla ed è costituito

da un tubo in acciaio, detto fodero, all interno del quale scorre uno stelo.

Fig 1.2 Schema di un ammortizzatore.

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All estremità dello stelo è collegato un pistone che divide l interno del tubo in due camere stagne, contenenti dell olio.

Con riferimento alla figura 1.1 , l azione smorzante dell ammortizzatore è proporzionale alla velocità di spostamento della massa sospesa secondo la relazione:

R = C V = C (N1.1)

Dove R è la forza di smorzamento, C è la costante di smorzamento e V è la velocità della massa sospesa .

L effetto smorzante viene ottenuto tramite due condotte, una di andata e una di ritorno, ricavate sul pistone e da delle valvole che gestiscono il flusso dell olio da una camera all altra. In particolare quando la sospensione viene sollecitata da un asperità stradale, da una frenata o da una accelerata, si ha un moto relativo fra stelo e fodero che imprime una velocità V all olio, forzandolo attraverso le condotte. Il fluido viscoso passando da una camera all altra con un moto turbolento, rallenta il moto dello stelo, smorzando le oscillazioni del veicolo.

Se il coefficiente di smorzamento in compressione e uguale a quello di rilascio si parla di sospensioni a singolo effetto, mentre se sono diversi si parla di sospensioni a doppio effetto. Negli ammortizzatori a doppio effetto l azione frenante è di solito più energica durante la fase di rimbalzo, cioè quando la sospensione si allunga, questo facilita il riassetto del veicolo dopo una sollecitazione.

Si può agire sulla sospensione regolando il precarico, il freno in compressione, ed il freno in rilascio. Analizziamole singolarmente.

La sospensione lavora solo in compressione e già in fase di montaggio la molla viene leggermente compressa Questa compressione iniziale viene detta precarico.

La molla deve sostenere il peso del veicolo in condizioni statiche ed esercita una forza uguale e contraria alla forza peso in modo da garantire l equilibrio. Aumentando il precarico la forza esercitata dalla molla

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aumenta ed è maggiore la forza peso necessaria per comprimerla, pertanto variando il precarico si varia la soglia in cui la sospensione interviene. Nel regolare il precarico bisogna stare attenti a non superare il peso statico del veicolo, perché in tal caso la sospensione si comporterebbe come un corpo rigido.

La regolazione del freno in compressione ed estensione si ottiene variando il coefficiente di smorzamento attraverso la variazione delle sezioni delle condotte dove scorre il fluido viscoso o agendo sulla densità dell olio[7].

1.3 Le sospensioni attive e semi attive.

Le sospensioni attive hanno la particolarità di rispondere in tempo reale alle sollecitazioni trasmesse dal suolo in modo tenere il veicolo in posizione stabile rispetto al suolo, conferiscono al veicolo confort di viaggio e sicurezza.

Vengono fornite principalmente come optional per le auto di fascia alta o medio-alta, in cui si giustifica il costo elevato.

In generale i sistemi di controllo per le sospensioni, comprendono: i sensori atti all acquisizione del segnale, i blocchi di condizionamento, la componente di controllo e gli attuatori. Questi ultimi devono essere alimentati e comportano un elevato consumo di energia.

L attuatore (che può essere oleopneomatico), è posto solitamente in serie alla sospensione e controlla e compensa le oscillazioni della ruota [8].

Un esempio è l ARC (Active Roll Control) disponibile sulla BMW 545, che assorbe rapidamente le sollecitazioni e tiene il veicolo orizzontale. Il sistema usa una soluzione idraulica con un attuatore rotativo posto nel centro della barra antirollio.

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Fig 1.3 ARC (active roll controll sistem) BMW 545 [1].

Sempre sulla BMW 545 viene montata una sospensione con attuatore elettromagnetico lineare posto fra la barra antirollio e l asse della ruota.

Questa soluzione necessita di una minore energia media poiché interviene solo quando la massa del veicolo è in movimento. Richiede però forti picchi di potenza compresi in un range fra 400w e 2 kw.

Fig 1.4 Schema della sospensione semi attiva con attuatore elettromagnetico[9].

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L attuatore elettromagnetico a controllo diretto è posto internamente alla molla, offre una elevata densità di forza ed un costo inferiore al sistema attivo ARC, inoltre può essere facilmente incorporata con volumi ridotti.

Viene usato un attuatore trifase radiale brushless e magneti permanenti. I magneti sono sostenuti da un asse non ferromagnetica e subiscono l attrazione del campo prodotto dagli avvolgimenti.

Nelle sospensioni semi-attive invece ci si limita ad intervenire sui coefficienti di smorzamento, agendo sul flusso dell olio mediante tre possibili metodi. Uno è la regolazione che avviene tramite delle elettrovalvole (sospensione CDC, Continuous Damping Control usate dalla Opel [2] ), gestite da una centralina, che fanno variare la sezione dell ugello in cui scorre l olio. Gli altri due metodi agiscono sulla densità dell olio. Non si usa più semplice olio idraulico, ma un liquido particolare capace di variare le proprie caratteristiche. Tra questi troviamo oli elettroreologici (sospensione ER), che variano la propria densità in funzione della tensione elettrica a cui sono sottoposti [10], e oli magnetoreattivi (ammortizzatori MR), in cui la densità viene controllata tramite l effetto di un campo magnetico sulle particelle ferrose in sospensione.

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Fig 1.5 Particolari del sistema con oli magnetoreattivi.

L uso di liquidi ER si adatta alle applicazioni automotive in quanto forniscono una elevata velocità di risposta, richiede piccole dimensioni e comporta un basso costo. L inconveniente e legato alla necessita di una alimentazione ad alta tensione (es. HVPS, ossia High-Voltage Power Supply)[10], necessaria per creare un campo magnetico elevato.

Fig 1.6 Sospensione a magneride [3].

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Fig 1.7 Principio di funzionamento degli oli magnetoreattivi [3].

In figura 1.7 si può osservare come nello stato off il fluido magnetoreologico non è magnetizzato e le particelle di ferro si dispongono casualmente. Nello stato on , l applicazione del campo magnetico allinea le particelle ferrose cambiando la densità del fluido.

Un applicazione di sospensioni MR è il sistema ADS (Adaptive Damping System)[4], disponibile come optional su alcuni modelli Mercedes che consente di abbassare l asseto all aumentare della velocità, mantenendolo costante, indipendentemente dal carico e dalle condizioni del fondo stradale.

1.4 Le sospensioni intelligenti nei veicoli a due ruote.

È ormai noto come i veicoli a due ruote, grazie alle loro caratteristiche di praticità, siano sempre più diffusi e utilizzati come mezzo quotidiano di

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dell essere uno sfizio per una piccola cerchia di appassionati, ad un oggetto di uso quotidiano.

L evoluzione sociale e l aspetto delle città, fanno nascere l esigenza di spostarsi il più velocemente possibile in modo semplice, pratico, economico e sicuro. In altri termini possiamo affermare che le esigenze degli utenti sono cambiate con esse il modo di concepire i motoveicoli.

La necessità di soddisfare le esigenze di un pubblico con caratteristiche molto diverse fra loro, ha portato alla nascita di una vasta gamma di motoveicoli sempre più evoluti, dotati di tecnologie all avanguardia, fra le quali si incontra anche il controllo delle sospensioni.

Al giorno d oggi, per i motoveicoli di fascia medio-bassa in commercio, l unica regolazione che si può effettuare è quella del precarico. Questo processo viene effettuato manualmente ruotando una ghiera dentata a vite o a scatto, mediante un apposita chiave, che aumenta o diminuisce la compressione della molla elicoidale. Tale regolazione si rende necessaria poiché il carico nei motoveicoli può variare notevolmente: rispetto al caso di solo pilota, le masse sospese possono più che raddoppiare quando ci si trova nella condizione di pieno carico-pilota passeggero bagagli.

Affinché la sospensione lavori nella condizione ottimale, quindi il precarico dovrebbe essere regolato ad ogni variazione del carico, ma questa operazione viene solitamente trascurata sia perchè l utente medio non possiede le conoscenze tecniche necessarie per comprendere l importanza ed eseguire correttamente la regolazione sia per la scomodità che essa comporta. Pertanto le sospensioni lavorano col precarico tarato in fabbrica per l utente medio, ma appena ci si discosta da questa condizione abbiamo un comportamento stradale non ottimale.

Finora non esistono sistemi di sospensioni attive per veicoli a due ruote, le uniche case costruttrici che forniscono dei sistemi semi-attivi per il controllo delle sospensioni sono la Honda e la BMW.

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Fig 1.8 Sospensione semiattiva BMW[5].

Nella foto 1.7, è mostrata, a titolo di esempio, la coppia di sospensioni semiattive realizzate dalla WPsuspension, disponibile come optional sulle moto gran turismo della BMW. All inizio del viaggio, il pilota deve selezionare il precarico attraverso la condizione in cui si andrà ad utilizzare la moto (solo pilota, con bagaglio o con passeggero o, infine, pilota con passeggero e bagaglio caricati).

In questo contesto si inserisce il sistema di controllo automatico del precarico realizzato dall Università di Pisa in collaborazione con Piaggio che risulta essere un elemento di assoluta novità in quanto consente di adattare automaticamente l assetto del motoveicolo in modo trasparente all utente.

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