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Capitolo 5
Discussione e analisi dei risultati
Le tabelle e gli schemi definiti nel Capitolo 4 sono stati utilizzati come base dati per realizzare il modello cad, il quale ha fornito un output in funzione dell’escursione verticale della ruota, che ha consentito di eseguire in seguito le analisi. Nella tabulazione ottenuta, utilizzata per generare i grafici degli angoli caratteristici, è stato possibile valutare il legame dell’altezza da terra con i vari parametri di assetto. Nelle pagine seguenti sono riportati in forma tabellare, i valori globali ottenuti dalle analisi numeriche, edin forma grafica i diagrammi che legano i vari parametri di assetto.
5.1 Procedura per generare i grafici ottenuti dalle analisi cinematiche Le analisi sono state condotte rapidamente in Mechanism Design seguendo la seguente procedura:
• REALIZZAZIONE E SALVATAGGIO DELLE MEASURE RELATIVE AI VARI PARAMETRI ED ANGOLI CARATTERISTICI
• ESECUZIONE DELLE ANALISI CINEMATICHE IN MOTION ANALYSES
• RECUPERO DELLE MEASURE PRODOTTE
• REALIZZAZIONE DEI GRAFICI DELLE VARIAZIONI DEGLI ANGOLI CON L’ESCURSIONE RUOTA
• INSERIMENTO GRAFICI EXCEL
• COMPARAZIONE FRA LE VARIE GRANDEZZE
• ANALISI E DISCUSSIONE DEI RISULTATI
Da queste misure si sono ricavati i valori delle grandezze più significative per le sospensioni anteriore e posteriore, effettuando una analisi cinematica che simulasse l’escursione verticale della ruota. Nella modalità Standard di ProEngineer è stato invece possibile calcolare rapidamente i valori delle grandezze con la vettura in configurazione di assetto statico: le dimensioni principali dei vari componenti, l’inclinazione dei triangoli, il valore degli angoli di camber e di convergenza, l’inclinazione dell’asse di sterzo e tutte le altre dimensioni della vettura.
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Tabella 5.1. Valori statici delle dimensioni e degli angoli caratteristici della sospensione anteriore.
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5.2 Risultati ottenuti Il modello cad è stato poi sviluppato in ambiente Mechanism Design per ottenere le informazioni necessarie alla verifica della cinematica di ogni sottosistema. Si è passati poi alla analisi delle curve caratteristiche delle sospensioni anteriore e posteriore.
• Variazione cinematica del camber durante l’escursione ruota
• Variazione cinematica della convergenza durante l’escursione ruota
• Variazione della Kingpin/angolo di caster durante l’ escursione della sospensione • Variazione della semicarreggiata/passo durante l’ escursione della sospensione • Variazione dell’avancorsa (BTL) e BTT durante l’ escursione della sospensione
5.3 Grafici della sospensione anteriore ottenuti dalle analisi cinematiche in ambiente
PROENGINEER WILDFIRE 2.0 MECHANISM DESIGN® Il modello cad della sospensione anteriore è
stato importato in ambiente Mechanism Design, che ha consentito di realizzare delle Features di Analisi, e tramite una Motion Analysis queste misure sono state utilizzate per ottenere la variazione cinematica degli angoli caratteristici delle ruote in funzione della escursione verticale del porta mozzo.
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Figura 5.2 - Variazione dell’angolo di Camber anteriore in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
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Figura 5.4 - Variazione dell’angolo di Caster in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
Figura 5.5 - Variazione dell’angolo di Kingpin in funzione dell’escursione della ruota±40mm
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Figura 5.6. Variazione dell’Avancorsa in funzione dello scuotimento della ruota ±40mm
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Figura 5.8. Variazione della semicarreggiata in funzione dello scuotimento della ruota ±40mm
Figura 5.9. Variazione del semipasso Ant. in funzione dello scuotimento della ruota ±40mm
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angoli caratteristici delle ruote in funzione della escursione verticale del porta mozzo.
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Figura 5.11 - Variazione dell’angolo di Camber posteriore in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
Figura 5.12 - Variazione della Convergenza in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
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Figura 5.13 - Variazione dell’ angolo di Caster in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
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Figura 5.15 - Variazione dell’ avancorsa in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
Figura 5.16 - Variazione del Braccio a terra trasversale in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
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Figura 5.17 - Variazione della semicarreggiata in funzione dell’escursione della ruota ±40mm
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5.5 CONSIDERAZIONI FINALI Durante l’utilizzo della vettura, le azioni causate dalle forze esterne provocano, principalmente, variazioni dell’altezza da terra anteriore e posteriore. In funzione di tali variazioni, le coordinate di alcuni punti della sospensione variano, e variano di conseguenza i parametri angolari di assetto da essi desunti. La conoscenza delle leggi di variazione di questi parametri in funzione dell’altezza da terra della vettura riveste enorme importanza nell’analisi del comportamento della vettura, in quanto è possibile individuare, volta per volta, la legge ottimale in funzione di ciascun tipo di moto. Nel caso in oggetto, ci troviamo di fronte ad una vettura già collaudata e sviluppata, prodotta in circa 25 esemplari annui, dotata di ottime caratteristiche di handling e con elevate prestazioni, impiegata con successo nel Campionato Mondiale FIA GT. E’ lecito pertanto supporre che le leggi scelte per la variazione dei parametri di assetto siano già state ottimizzate: di seguito se ne propone una generalizzazione.Ben diverso è il caso dell’ideazione di una nuova vettura: il progettista ipotizza la vettura sulla carta e deve tracciare gli snodi della sospensione. Il suo lavoro procederà per tentativi, verificando volta per volta con il programma di simulazione la variazione degli angoli ottenuti con i punti di prova. Ciò presuppone la cognizione delle leggi ottimali che devono essere perseguite. Va osservato come le leggi di variazione dei parametri di assetto siano, in ultima analisi, condizionate dal tipo di pneumatico utilizzato. Ciò complica ancora di più il lavoro del progettista. Occorre anche notare che le vetture GT FIA sono poi vincolate dal Regolamento Tecnico ad utilizzare pneumatici con calettamento da 19” e diametri di rotolamento da 654.10 a 724.10 mm; si tratta comunque di pneumatici a spalla molto bassa, con caratteristiche di deriva del pneumatico peculiari, e particolari tipologie di funzionamento. Le grandezze di assetto calcolabili in ambiente Mechanism Design di ProEngineer 2.0® in funzione
dell’escursione ruota sono state mostrate in dettaglio nel paragrafo 4.7. In questa trattazione sono stati misurati tutti i parametri sopra elencati e i rispettivi valori sono stati tabulati in condizioni di assetto statico; le analisi e le conclusioni riguardano esclusivamente i più interessanti. Le variazioni sono deducibili dai valori tabulati precedentemente, per variazioni delle altezze da terra nel range ±40 mm per la sospensione anteriore e quella posteriore. Tali domini includono sicuramente tutte le possibili altezze di funzionamento della vettura; in realtà, in pista si verificano escursioni di altezza da terra ben inferiori quantificabili in circa ±20 mm. Le variazioni vanno
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5.5.1. Recupero di Camber Scopo dell’angolo di camber è conferire la giusta inclinazione alle ruote esterne durante il moto di rollio della vettura in curva, capaci di generare una forza trasversale Fy, chiamata spinta di camber, che va ad aumentare
l’aderenza laterale del pneumatico. Le vetture GT FIA, in virtù della massa ridotta e dell’elevata rigidezza delle sospensioni, sono soggette a rollio ridotto, pur raggiungendo elevati valori dell'accelerazione centripeta. Approssimando il funzionamento della sospensione a doppio triangolo con quello di un quadrilatero articolato piano si è analizzato il recupero di camber al variare dell’altezza da terra; si è osservato come al variare dell'altezza da terra varia automaticamente anche l'angolo di camber. Le sospensioni adottate attualmente sono realizzate in modo tale che l'angolo di camber sia negativo in corrispondenza dell'altezza di normale funzionamento, e che questo valore negativo diminuisca (aumentando cioè in valore assoluto) al diminuire dell’altezza da terra. Questa scelta è dettata dall'esigenza di recuperare la perdita di camber, subita dalla ruota per effetto dell’escursione verticale. La cassa della vettura subirebbe in questo caso una rotazione pari all'angolo di rollio: ciò renderebbe l'angolo di camber della ruota esterna prossimo a zero o addirittura positivo diminuendo così l’aderenza trasversale del pneumatico. E’ dunque necessario correggere in negativo il camber della ruota in oggetto, a compensazione del fenomeno sopra descritto. Tale correzione deve essere proporzionale all'angolo di rollio, avvicinandosi a realizzare la condizione limite in cui la ruota, per effetto combinato del rollio e del recupero, mantiene un angolo di camber pari al valore di progetto in condizioni statiche.
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Figura 5.19 – Schema piano della sospensione e recupero di Camber in rollio .
Analisi sperimentali condotte dal Reparto Corse sulle vetture GT FIA hanno mostrato che il massimo rollio raggiungibile, dovuto alla sola flessibilità delle sospensioni (esclusa cioè la cedevolezza delle gomme), sia intorno a ±3°. I risultati ottenuti mostrano come tale valore sia raggiunto dalle sospensioni anteriori. La distribuzione delle masse e delle rigidezze in una vettura FIA GT fa sì che il fenomeno del rollio sia maggiormente assorbito dal retrotreno che, meno rigido, subisce la maggiore deformazione delle molle; dai tecnici è stato rilevato un valore di rigidezza al rollio di 2500 [Nm/deg] al posteriore, gomme comprese. II treno anteriore subisce invece deformazioni minori in quanto molto più rigido; dai tecnici è stato rilevato un valore di rigidezza al rollio di 3300 [Nm/deg] all’anteriore, gomme comprese. Per garantire un corretto appoggio a terra della ruota anteriore esterna durante il rollio, si cerca di conferire al camber statico iniziale un elevato valore negativo (circa -3°) in modo che il camber non diventi positivo in nessuna condizione di rollio verificabile. Tale scelta minimizza poi l'area di impronta a terra dei pneumatici anteriori durante la marcia in rettilineo, con conseguente diminuzione della loro resistenza al rotolamento. In virtù di queste considerazioni, appare giustificato l'elevato valore iniziale di camber (circa -3.0°) delle ruote anteriori, come evidenziato dalla scheda di assetto statico ed un valore di -1° per le ruote posteriori. Come specificato dalle curve di variazione cinematica del camber in Fig.5.3 il recupero di camber ha un andamento con buona approssimazione lineare. Ciò è dovuto al particolare rapporto fra le dimensioni dei triangoli e l'altezza del porta mozzo, ed alla ridotta escursione verticale che la sospensione subisce nel campo di analisi.
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Fig.5.20 Influenza dell’angolo di camber sulla traiettoria della ruota.
Nella pratica, si cerca di individuare un valore del camber corrispondente all'altezza statica tale che, in curva e per effetto del recupero, il camber stesso si mantenga entro valori mediamente accettabili.
5.5.2. Recupero di convergenza L’angolo di convergenza subisce variazioni in funzione dell’altezza da terra, al pari degli altri parametri di assetto. Sarà anche in questo caso necessario contenerne le modifiche in un range molto piccolo nel campo di funzionamento usuale. Si è visto che per auto a trazione posteriore l’aumento dell’angolo di convergenza sulle ruote anteriori conferisce una maggiore stabilità in rettilineo, a discapito di una maggiore lentezza nel cambio di direzione, come anche una maggiore usura del pneumatico e attrito. Su entrambi gli assali si tende a minimizzare il bump-steer,cioè la sterzata indotta dal superamento di un ostacolo, in quanto non sarebbe il pilota a controllare pienamente la vettura. In conseguenza a questo, l’obiettivo principale per la cinematica del sistema di sterzo è la minore variazione possibile della convergenza in bump. Dato l’angolo molto contenuto di convergenza statica (Ant. -0.0025°), tale variazione è molto piccola: il suo range è infatti compreso tra -0.01° e +0.02°.
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Fig.5.21 Influenza della convergenza sul moto della ruota.
5.5.3. Recupero di carreggiata Data la complessità del sistema articolato che compone la sospensione, è inevitabile che la carreggiata sia soggetta a variazioni in funzione dell'altezza da terra. Alcuni progettisti sostengono che la somma delle due semicarreggiate debba rimanere costantemente pari al valore della carreggiata in condizioni di rollio nullo, al fine di impedire variazioni del raggio di curvatura della vettura legate al valore dell'angolo di rollio. E' necessario verificare che la carreggiata non subisca modifiche apprezzabili nel campo di funzionamento della sospensione; in effetti, i risultati ottenuti mostrano che le variazioni di carreggiata sono praticamente ininfluenti nel campo di funzionamento della sospensione. Dall’analisi si è evidenziata una variazione della semicarreggiata di 1.4 mm , passando da 864.8mm a 866.3mm, rispetto ad una escursione ruota di ±40mm, in valore percentuale di 1.75% .
5.6. Analisi conclusive Nell'ambito del progetto cinematico della sospensione, si controllano pertanto le variazioni di altezza da terra del centro di rollio di ciascuna sospensione in funzione della variazione di altezza da terra della vettura. Nel calcolo di una sospensione è importante ottenere non tanto il centro di rollio più vicino al terreno, quanto il più stabile e prevedibile possibile, a dispetto del movimento che viene a crearsi nei triangoli delle sospensioni in estensione e compressione e a seguito del rollio stesso del telaio. II centro di rollio non deve spostarsi molto né verticalmente, né trasversalmente. In linea di massima, è stato riscontrato dai rilievi, che una buona base di partenza per la sospensione anteriore si ha
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pesante, tale che il prodotto della massa e della distanza tra il centro di rollio ed il relativo baricentro sia uguale su entrambi gli assali, sempre mantenendo una corretta angolazione degli pneumatici rispetto al terreno.
