L’angolo di caster: che cos’è e come influenza la dinamica di guida

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. Uno di questi è l’angolo di caster, o angolo di incidenza. A differenza degli angoli di convergenza e di campanatura (toe e camber), che possono essere registrati tramite barre filettate, spessori o eccentrici, solitamente nelle vetture stradali l’angolo di caster non prevede infatti alcuna regolazione. Solo nelle vetture più sportive e in quelle da competizione, si può intervenire su quest’angolo, con piastre di regolazione o boccole eccentriche.

COS’E’ L’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. (osservando frontalmente il veicolo si otterrebbe l’angolo di kingpin, di cui abbiamo parlato qui https://www.autotecnica.org/angolo-kingpin/). 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 è quando il perno superiore è indietro al perno inferiore rispetto alla direzione di marcia, è invece negativo quando il perno superiore è davanti al perno inferiore. Tutti i veicoli moderni hanno il caster positivo. 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 dice il nome stesso, 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. E’ 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. L’altezza da terra dell’asse anteriore rispetto a quello posteriore (chiamata rake) è invece legata direttamente all’angolo di caster, essendo quest’ultimo in relazione con un riferimento assoluto, cioè la verticale rispetto al suolo. Come vedremo nei prossimi capitoli, l’angolo di caster ha effetti principalmente su due parametri, uno che riguarda lo sterzo e uno che riguarda la dinamica in curva, ponendolo in relazione all’angolo di camber e a quello di king-pin.

COSA DETERMINA NEL FEELING DI GUIDA

Con una funzione simile all’inclinazione della forcella di una moto o di una bicicletta, il primo scopo dell’angolo di caster 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. 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. Un buon angolo di caster assicura invece al guidatore un senso di sicurezza e di accuratezza di guida, soprattutto nei tratti rettilinei sconnessi.

COMPORTAMENTO DINAMICO 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. Non un compito facile da parte dei progettisti trovare il giusto settaggio, per garantire un’ottima impronta a terra in tutte le fasi di marcia.

QUALE VALORE DI ANGOLO?

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 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. La differenza tra i due angoli di caster è chiamata “cross-caster” ed è necessario non superi gli 0,5 gradi.

CASTER VARIABILE

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 permettere 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. Il caster variabile consente quindi miglioramenti sia in termini di guidabilità che di tenuta di strada.