L’angolo di kingpin e come influisce sull’assetto

L’angolo di kingpin è l’angolo di inclinazione dell’asse di sterzo nel piano trasversale del veicolo.

L’origine del nome deriva dalle prime carrozze, dove l’asse di sterzo era fisicamente realizzato da un perno (pin), collegato alle due estremità a forchetta dell’assale.

Sospensione anteriore della Ford Model T, dove è ancora visibile il perno di sterzo, collegato all’estremità a forchetta dell’assale anteriore. Sullo sfondo si nota il collegamento del braccio di sterzo.

Nelle automobili moderne, l’asse di sterzo non è più caratterizzato da un oggetto fisico, ma si ottiene congiungendo virtualmente i due snodi, superiore e inferiore, al quale è ancorato il mozzo, snodi che consentono la rotazione della ruota sull’asse sterzante.

Guardando l’auto da davanti (o da dietro), l’inclinazione dell’asse di sterzo rispetto al riferimento verticale, perpendicolare al terreno, è detto angolo di kingpin. (Se invece si osservasse l’auto lateralmente, si noterebbe l’inclinazione dell’asse di sterzo in avanti e in quel caso si parlerebbe di angolo di Caster).

Nella sospensione con geometria MacPherson, l’asse di sterzo passa all’interno del gruppo molla-ammortizzatore (che svolge la duplice funzione sia di supporto che di controllo dei movimenti della ruota), anche se spesso l’asse di sterzo non è allineato con l’asse del gruppo sospensivo, generando quindi dei momenti di forze che sono bilanciati dalla flessione della molla.

Nella sospensione a quadrilatero alto, lo snodo superiore viene spostato sopra alla ruota, tramite un montante a collo d’oca, in modo da avvicinare l’asse di sterzo al centro della ruota, con notevoli vantaggi come verrà spiegato in seguito. Se gli snodi sono più di due (ad esempio se è presente un doppio snodo inferiore o superiore), occorre considerare il punto di incontro del prolungamento dei due bracci.

Due esempi di asse di sterzo, ottenuto congiungendo i due snodi (superiore e inferiore). Nella sospensione con geometria MacPherson, in basso, l’asse di sterzo passa all’interno del gruppo molla-ammortizzatore (che svolge la duplice funzione sia di supporto che di controllo dei movimenti della ruota).

L’inclinazione di questo asse è di fondamentale importanza per il comportamento del veicolo e per il feedback restituito al guidatore sullo sterzo, sia per i piccoli che per i grandi angoli di volante.

Tipicamente, l’angolo di kingpin, nella maggior parte dei veicoli, è compreso in un range tra 8° e 12°, rispetto alla verticale.

L’offset dell’asse di sterzo rispetto al centro della ruota è invece chiamato comunemente come lunghezza del fuso di sterzo: anche questo parametro è molto importante come vedremo, perché, assieme all’angolo di kingpin determina il braccio a terra trasversale, cioè la distanza tra il centro dell’area di contatto dello pneumatico e la proiezione dell’asse di sterzo sul terreno, guardando l’auto frontalmente o posteriormente.

Schema semplificato di una sospensione a quadrilatero deformabile, con l’indicazione dell’asse di sterzo, dell’angolo di kingpin, del braccio a terra trasversale e della lunghezza (o offset) del fuso di sterzo. In basso, è raffigurata dall’alto l’area di contatto tra lo pneumatico e la strada, all’interno della quale cade il prolungamento dell’asse di sterzo. La ruota, nel suo movimento di rotazione attorno all’asse, restituisce una coppia resistente sul sistema di sterzatura, pari a F x r, dove r è il braccio a terra trasversale.

CONSEGUENZE SULL’ASSETTO

Il primo effetto dell’angolo di kingpin è anche il meno noto: la rotazione delle ruote attorno all’asse di sterzo inclinato genera un innalzamento dell’auto, seppur impercettibile dal guidatore. Di conseguenza, più è grande l’angolo di kingpin e maggiore è il momento auto-allineante dello sterzo, a causa della forza di gravità che tende a far tornare le ruote nella posizione con potenziale gravitazionale più basso.

Il secondo effetto è legato alla lunghezza del fuso di sterzo, che assieme all’angolo di kingpin determina il braccio a terra trasversale. La presenza di un elevato braccio a terra trasversale provoca un aumento dello sforzo richiesto per sterzare e sensibili ritorni di coppia sullo sterzo in seguito alle frenate, alle accelerazioni, o alle irregolarità stradali.

La coppia restituita dalle ruote al sistema di sterzo sarà pari a F x r, dove F è la forza di reazione al contatto tra pneumatico e strada, e r è il braccio a terra trasversale.

E’ quindi ideale che il braccio a terra trasversale non sia eccessivo, per garantire un buon feeling sullo sterzo e una maggiore facilità di guida su fondi sconnessi.

Spesso la presenza del freno a disco e le ridotte dimensioni interne del cerchio non permettono, con certe geometrie di sospensione, l’installazione degli snodi di sterzo a ridosso del centro ruota, per questo motivo l’asse di sterzo si trova lontano dal centro della ruota e per ridurre il braccio a terra trasversale è necessario aumentare l’angolo di kingpin.

Non è buona norma avere un braccio a terra nullo, infatti in questo caso lo pneumatico quando sterzato tenderebbe a ruotare attorno al proprio asse verticale, generando uno strisciamento del 100% dell’area di contatto, che si tradurrebbe in uno sforzo elevato sul volante a veicolo fermo.

Prove sperimentali portano ad affermare che è consigliabile avere un braccio a terra pari a circa 10-25% della larghezza del battistrada (per esempio, per un tipico pneumatico 205/50 R16, risulterebbe 205 x 10% = 20,5 mm). Inoltre, occorre fare in modo che durante la completa sterzatura l’asse di sterzo non cada mai al di fuori dell’impronta di contatto, altrimenti le forze restituite sul sistema di sterzo sarebbero eccessive.

Nelle auto a trazione anteriore, è pratica comune dei progettisti avere un braccio a terra trasversale negativo, con l’asse di sterzo che incontra la linea del terreno all’esterno del centro dell’area di contatto della ruota, per avere un effetto stabilizzante: per esempio, se una delle due ruote motrici perde trazione, la ruota opposta tenderà a aprire la convergenza, compensando le diverse forze traenti nei due lati della vettura.

Indipendentemente dal braccio a terra, la lunghezza del fuso di sterzo influisce sul comportamento in relazione alle sole sconnessioni stradali: una variazione in verticale del manto stradale provoca infatti un cambiamento repentino del raggio di rotolamento della ruota e quindi una variazione delle forze longitudinali al centro della ruota, che si traducono in fastidiose forze di reazione sullo sterzo.

Infine, occorre considerare che la presenza dell’angolo di kingpin determina la correlazione tra l’angolo di sterzo e la campanatura, provocando l’inclinazione verso l’esterno della parte alta della ruota, al variare dell’angolo di sterzo.

Schema delle sospensioni anteriori della Mercedes Classe C (2015-), tra l’altro dotate di elementi elastici pneumatici. Lo snodo superiore è portato all’esterno, sopra alla ruota, in modo da avvicinare l’asse di sterzo al centro della ruota, riducendo l’offset e il braccio a terra, e quindi migliorando il feedback restituito sullo sterzo in seguito alle irregolarità stradali.

 

Bibliografia:

“Race Car Vehicle Dynamics”, W. F. Millken, D. L. Milliken

“L’Assetto”, F.L. Facchinelli

“Advanced Vehicle Technology”, Heinz Heisler