Immagine di copertina: copyright Heinrich Eibach GmbH
Gli elementi elastici sono quei componenti che, durante la marcia del veicolo, prevedono una variazione della propria geometria, a causa delle forze di compressione, trazione, flessione o torsione, generate dalle sollecitazioni provenienti dalla strada. Subiscono quindi una deformazione elastica, che non comporta alcuna deformazione permanente, restituendo una forza o un momento di reazione.
Gli elementi elastici vengono utilizzati nelle sospensioni per assolvere a varie funzioni, prime tra tutte quella di sostenere la cassa del veicolo, controllando altresì i movimenti delle ruote e della scocca, interponendosi tra le masse sospese e le masse non sospese.
Anche se tutta la scocca del veicolo è considerabile un sistema elastico, perché subisce deformazioni, l’intenzione di questo articolo è quella di focalizzare l’attenzione sui componenti elastici delle sospensioni, come le molle, le barre, le boccole, le cui caratteristiche possono essere selezionate e variate anche in fase di sviluppo e sperimentazione del veicolo.
Ovviamente, per poter frenare e controllare le oscillazioni che si generano, è necessario installare anche un sistema smorzante, un ammortizzatore, che però non è oggetto della trattazione.
TIPOLOGIE DI ELEMENTI ELASTICI
Esistono varie tipologie di elementi elastici, li abbiamo suddivisi come segue:
Molle a balestra – sono composte da uno o più fogli sovrapposti, che lavorano a flessione. Nell’applicazione con balestra longitudinale, vi sono due punti di fissaggio al telaio agli estremi delle lamine (tramite boccole) e al centro una piastra di fissaggio che si vincola al movimento delle ruote. Nell’applicazione con balestra trasversale, i due estremi sono fissati alle ruote dello stesso asse, mentre il centro della balestra è vincolato al telaio. L’attrito generato tra i fogli garantisce anche un effetto smorzante, contribuendo allo smorzamento complessivo. E’ la soluzione meccanica più semplice da un punto di vista realizzativo e fino agli anni ’70 era quella più diffusa. La sua applicazione è però diventata sempre più rara, in favore delle più compatte molle elicoidali, in grado di adattarsi meglio alle sospensioni indipendenti che generano movimenti della ruota non lineari. Ma lo sviluppo delle molle a balestra non si è mai fermato, arrivando a soluzioni innovative come la balestra trasversale mono-lamina, studiata per le alte prestazioni e realizzata in materiale composito a base di polimero plastico, che porta a una sensibile diminuzione di massa rispetto alle molle elicoidali. Un altro vantaggio è che la balestra trasversale è in grado di svolgere anche la funzione di barra anti-rollio. Oltre a Chevrolet con la Corvette (fino alla C7), anche Volvo, su XC90, S90 e V90 ha adottato le innovative balestre trasversali monolamina in materiale composito. Dopo essere stata considerata una soluzione obsoleta per molti anni, oggi, grazie all’introduzione dei nuovi materiali in fibre composite, l’interesse verso le molle a balestra da parte dei progettisti sembra crescere velocemente.
Molle elicoidali – si tratta di una barra a sezione cilindrica avvolta ad elica; esse lavorano eclusivamente a torsione. Le parti terminali vengono appiattite per poter essere montate in maniera stabile su un opportuno piattello. Sono gli elementi elastici adottati per la quasi totalità delle moderne autovetture. I vantaggi sono la compattezza, la flessibilità di installazione e la totale assenza di manutenzione. Il diametro della sezione e il passo possono essere fissi oppure variabili, così da modificare l’andamento della rigidezza, cioè della forza restituita in funzione dello schiacciamento.
Barre di torsione – come le molle elicoidali, lavorano a torsione, ma non sono avvolte a elica. Possono essere installate sia in senso longitudinale al veicolo che in senso trasversale. Utilizzate soprattutto in Formula 1, hanno il vantaggio di poter essere regolate facilmente (modificando quindi l’altezza a terra del veicolo), agendo sulla leva vincolata alla ruota, il cui compito è quello di trasformare il movimento verticale nella torsione della barra. Hanno solitamente un diametro molto più elevato rispetto alle molle elicoidali. Una versione di barra di torsione trasversale è anche quella adottata nelle sospensioni con “ponte torcente”, detta anche “a ruote interconnesse”, utilizzata al retrotreno di numerose utilitarie. Un tubo aperto, con sezione a forma di C, posto trasversalmente al veicolo collega due bracci longitudinali a loro volta collegati alle ruote. In questo tipo di sospensioni sono comunque presenti anche le molle elicoidali, a cui è affidato il compito primario di sostenere il carico verticale.
Anche le barre anti-rollio sono barre di torsione. Hanno il compito di ridurre il fenomeno del rollio e di modificare il bilanciamento del trasferimento di carico tra l’asse anteriore e quello posteriore.
Barre strutturali – si tratta di barre di rinforzo, che possono collegare la parte alta o la parte bassa della scocca (strut bar o lower arm bar). Quelle anteriori che collegano i duomi delle sospensioni vengono chiamate “barre duomi”. Utilizzate per irrigidire la scocca collegando tra loro gli elementi strutturali, aumentano principalmente la rigidezza alla flessione laterale e la rigidezza localizzata nei punti di attacco delle sospensioni. Possono essere realizzate in acciaio o in materiale composito in fibra di carbonio.
Molle pneumatiche – sono costituite da una camera che contiene del gas in pressione (in genere azoto). Lo schiacciamento della vettura provoca la riduzione del volume della camera, che aumenta la pressione e quindi la forza restituita dal gas. Esse possono anche avere un andamento della rigidezza incrementale, quando il puntone che spinge la camera è conico. Le molle pneumatiche, che sembravano essere state abbandonate per la loro complessità, stanno oggi ritornando in auge grazie ai nuovi sofisticati sistemi di controllo elettronico, che sono in grado di variare istante per istante la pressione del gas all’interno della camera. Si possono quindi realizzare sospensioni di tipo “attivo”, con l’introduzione di una fonte di energia tramite un compressore. I vantaggi sono molteplici, perché oltre a una variazione dell’altezza da terra mentre l’auto è in movimento, è possibile anche controllare i moti di rollio e beccheggio, agendo sulla rigidezza delle molle pneumatiche.
Boccole ed elastomeri – Le boccole, chiamate comunemente “silent-block”, nonostante vengano raramente menzionate quando si parla di assetto, hanno un compito molto importante nel controllo dei movimenti della ruota. Sono ad esempio il punto di ancoraggio tra i bracci della sospensione e la scocca della vettura. La loro deformazione permette il movimento della ruota, ma crea anche piccole variazioni dei suoi angoli caratteristici. Vengono installate anche su ammortizzatori, supporti motore e sui supporti delle barre anti-rollio. Sono generalmente costituite da una parte elastica in materiale polimerico e da una struttura metallica o in fibra di nylon. Durante la simulazione al computer dei modelli dinamici del veicolo, l’attento studio della loro rigidezza (a flessione, torsione, trazione e compressione) può cambiare notevolmente le caratteristiche di guidabilità. In alcune vetture da competizione, le boccole delle sospensioni vengono sostituite da snodi sferici interamente metallici (uniball), che hanno una ridottissima elasticità, rendendo più prevedibili le variazioni degli angoli caratteristici delle ruote, a discapito ovviamente del comfort e della rumorosità.
MATERIALI
Quasi tutte le tipologie di molle sono realizzate in acciaio, necessariamente arricchito con silicio, che conferisce ad esse l’elasticità necessaria per svolgere il compito richiesto, aumentando il limite allo snervamento. La molla infatti deve essere progettata in modo tale che per tutta la sua estensione lavori in campo elastico, ovvero non sia mai soggetta a deformazioni permanenti. Oltre al silicio, altri elementi importanti che vengono legati con l’acciaio sono il cromo, il nichel e il molibdeno. Alcuni esempi di materiali utilizzati sono i seguenti: 52SiCrNi5, 50SiCrMo6, 55Si8, 60SiCr7.
Come accennato in precedenza, non mancano esempi in materiale composito a base di fibra di carbonio, per le molle a balestra mono-lamina di ultima generazione.
Esistono anche molle in titanio, molto interessanti per la loro leggerezza (rispetto all’acciaio, il titanio ha una densità più bassa di oltre il 40%) ma che, a causa dei costi proibitivi per la loro produzione, sono relegate al mondo dei prototipi e delle supercar (la Bugatti Veyron ne fu un esempio, le molle furono realizzate dalla Eibach).
