In questo articolo parleremo di angolo di convergenza.
Per ottenere la migliore aderenza possibile, l’ideale è mantenere un angolo costante tra gli pneumatici e il terreno, in modo da massimizzare l’impronta a terra e rendere lineare e prevedibile l’angolo di deriva in curva.
Sembrerebbe un gioco da ragazzi, se non fosse che l’automobile è un oggetto dinamico, soggetto a una distribuzione continua dei pesi che provocano movimenti della cassa (rollio, beccheggio e imbardata) e movimenti delle ruote, ad essa collegate tramite le sospensioni e le boccole elastiche.
Ogni veicolo è inoltre caratterizzato da organi di sterzatura, che permettono agli pneumatici di ruotare attorno a un asse, che non è verticale rispetto al terreno, ma è inclinato sia frontalmente che lateralmente.
Ecco, quindi, che le ruote cambiano continuamente il proprio orientamento, in curva, in frenata, in accelerazione e sulle sconnessioni, peggiorando drasticamente l’impronta a terra e modificando così le forze scambiate con il terreno.
Per mitigare questa situazione e rendere quanto più possibile ottimale la guidabilità e la tenuta di strada, trovando un giusto compromesso anche in funzione del tipo di veicolo e del target a cui si rivolge, oltre a scegliere una corretta geometria di sospensione e di sterzo, si ricorre all’utilizzo di angoli statici delle ruote.
Gli pneumatici si trovano pertanto ad appoggiare sul terreno con una certa inclinazione statica, sia sul piano orizzontale che su quello verticale.
Basta soffermarsi a guardare una qualsiasi ruota di un’automobile ferma e a volante dritto, per notare come questa sia più o meno inclinata sui due piani, a volte in modo anche molto piuttosto vistoso, specialmente se si tratta di vetture sportive o da competizione.
Questione di ‘angoli’
Gli angoli che determinano tale inclinazione statica sono due, l’angolo di convergenza o Toe e l’angolo di campanatura o Camber.
Esistono poi altre geometrie, come l’angolo di King Pin, l’angolo di Caster e l’angolo di Ackermann, angoli che abbiamo approfondito molto sulle pagine di Auto Tecnica, che però non riguardano l’inclinazione statica delle ruote, ma intervengono nel modificare la loro inclinazione e rotazione solo quando si sterza o quando c’è uno scuotimento verticale della sospensione.
Come vedremo nell’articolo, anche la convergenza varia con lo sterzo e con l’escursione verticale delle ruote, in questo caso si parla di angoli dinamici.
Tutti gli angoli che caratterizzano le sospensioni producono effetti sinergici, che non sono facilmente prevedibili e calcolabili, come gli effetti di deformabilità dello pneumatico e degli elementi elastici della sospensione.
In questo complicatissimo scenario, vengono oggi in aiuto le simulazioni matematiche al computer e le prove sperimentali, che permettono di misurare istante per istante gli angoli che assume la ruota durante la guida.
Angolo di convergenza o toe angle
L’angolo di convergenza o toe angle si forma tra il piano longitudinale della ruota e il piano longitudinale del veicolo.
Guardando l’automobile dall’alto, se le ruote sono orientate verso l’esterno rispetto alla mezzeria del veicolo si definisce come convergenza aperta, toe out, oppure divergenza.
Mentre se sono orientate verso l’interno si tratta di convergenza chiusa o toe in. Si può misurare in gradi o in millimetri.
La misura in millimetri è la differenza di distanza tra gli estremi del cerchio.
Questa misura è ovviamente più comoda quando non è possibile utilizzare strumentazioni specifiche per la misura dell’angolo, per esempio in pista.
La convenzione adottata da SAE vuole che nel caso in cui le ruote convergano verso la direzione di marcia l’angolo sia positivo, mentre se le ruote divergono verso la direzione di marcia allora sia negativo.
Simmetria e convergenza totale
Un altro parametro altrettanto importante che riguarda la convergenza è la simmetria tra le convergenze di destra e sinistra dello stesso asse.
Se queste non sono uguali per le due ruote dell’asse anteriore, lo sterzo risulterà disallineato rispetto alla direzione rettilinea di marcia e le razze del volante assumeranno un angolo, che è quello che rende simmetriche le due convergenze.
Se l’asimmetria di convergenza si verifica invece sull’asse posteriore, si genererà quello che viene chiamato angolo di spinta o passo di cane.
Oltre al disallineamento dell’angolo volante, questo effetto porterà anche a un fastidioso tiro del veicolo in marcia rettilinea.
Per convergenza totale si intende invece la somma dei valori in valore assoluto delle due ruote dello stesso asse.
Gli effetti della convergenza
Per capire al meglio gli effetti che la convergenza ha sulla dinamica del veicolo occorre scomporre il comportamento in varie dinamiche: la centratura in rettilineo, l’inserimento in curva, la percorrenza e l’uscita di curva.
Per quanto riguarda il primo fattore, la centratura, si intende la capacità del veicolo di mantenere una traiettoria rettilinea, anche in seguito a piccoli movimenti di sterzo e, più in generale, ci si riferisce alla facilità con cui il guidatore riesce a mantenere dritta la vettura in rettilineo.
Una convergenza chiusa all’anteriore rende la vettura meno sensibile ai piccoli angoli di sterzo, ma al tempo stesso più difficile da inserire in curva.
Una convergenza aperta all’anteriore rende invece più reattiva la vettura, generando un momento imbardante maggiore quando si inserisce in curva. Il perché è spiegato in figura:
In caso di curva a sinistra, la ruota destra si raddrizza annullando sia la forza laterale generata e la forza resistente.
La risultante delle forze della ruota sinistra produce invece un momento imbardante in direzione dello sterzo.
Lo stesso si genera nel caso di convergenza chiusa, ma in questo caso il braccio è notevolmente minore, come visibile nella figura.
La convergenza influisce sulla reattività del veicolo
La convergenza anteriore chiusa è adatta quindi a vetture per le quali la troppa rapidità di sterzo può diventare addirittura fastidiosa, perché pensate per guidatori poco esperti o che vogliono guidare in modo rilassato, come per esempio sulle utilitarie, sui SUV o sulle gran turismo.
Al contrario, una convergenza aperta all’anteriore (con angoli di caster adeguati) migliora l’inserimento di curva, rendendo la vettura più nervosa e più reattiva nei cambi di direzione.
Nella fase di percorrenza e uscita di curva – quando è passata la fase di transitorio, cioè quando la vettura si è stabilizzata – di contro una convergenza aperta tende ad aumentare il sottosterzo (se non si considerano gli effetti dell’angolo di Ackermann sulla ruota interna alla curva).
Infatti, la ruota esterna alla curva, sottoposta a maggior carico verticale, diventa predominante nello sviluppare le forze laterali che fanno curvare il veicolo generando imbardata.
E se la convergenza è aperta, occorrerà più angolo di sterzo per far sì che questa ruota produca un angolo di deriva (L’angolo di deriva è l’angolo che si forma tra l’asse longitudinale della ruota e la direzione del vettore della sua velocità, a causa della deformazione elastica dello pneumatico, ed è quello che permette lo sviluppo di una forza laterale in curva).
Convergenza: setup tipici
Solitamente, per vetture a trazione anteriore ci si orienta su convergenze nulle o aperte sulle ruote anteriori e a convergenze chiuse sulle ruote posteriori.
Sulle vetture a trazione posteriore o a trazione integrale, che possono soffrire di troppa reattività di sterzo in rettilineo soprattutto se dotate di motore centrale o posteriore, spesso si opta invece a convergenze nulle o chiuse all’anteriore, per abbassare la reattività di sterzo, e leggermente aperte al posteriore.
L’effetto della motricità tende infatti a chiudere la convergenza e quindi se anche staticamente sono aperte di qualche grado, in fase di accelerazione o in marcia costante tendono a tornare nulle.
L’effetto della frenata è, al contrario, quello di aprire la convergenza.
Ovviamente la convergenza non deve essere mai essere eccessiva, per non causare un consumo anomalo degli pneumatici – che si usureranno maggiormente sulla parte esterna del battistrada se troppo chiusa o sulla parte interna del battistrada se troppo aperta – e per non generare fenomeni di sterzature involontarie (self steering) alla guida.
Gli angoli di convergenza diversi da zero in rettilineo generano anche delle forze di frenatura (forze di drag) che nel bilancio energetico sottraggono potenza.
Questo aspetto è particolarmente importante nel mondo Racing, dove un eccessivo angolo di convergenza può penalizzare la velocità in rettilineo.
