Marino Dario & Penzo Luca ,Milano21/03/2003
PROGETTO D'ESAME 2003
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ANALISI CINEMATICA
L’analisi
cinematica di un sistema di sospensioni risulta,per una moltitudine di fattori,uno
dei momenti più importanti di progettazione di un autoveicolo.
Il
fine di tale analisi è quello di considerare la progettazione del sistema
sospensioni-ruota che permetta all’autoveicolo di mantenere la stabilità
rispetto al moto in curva e alle sconnessioni stradali.
Premettendo
che non si faranno considerazioni sulla scelta dei pneumatici (che devono
essere i migliori per garantire l’aderenza al fondo stradale) si cerchi di
capire quali siano i fattori determinanti allo scopo della analisi.
Possiamo
affermare che gli elementi imprescindibili per una tale verifica di massima sia
sostanzialmente tre:
-
l’asse della ruota in movimento
-
il centro di istantanea rotazione
(CIR)
-
il centro di rollio (CR)
La ruota in movimento può
subire (soprattutto in fase di curva) delle oscillazioni che modificano la sua
posizione rispetto alla verticale.
E’ dunque importante che
anche durante il movimento il punto di intersezione dell’ asse della ruota con
il terreno coincida con lo stesso punto che si ha con la ruota in quiete. Il
centro di istantanea rotazione (punto attorno a cui avviene la rotazione
dell’intero veicolo) deve trovarsi a circa una volta e mezzo la carreggiata e
può variare in un intorno di un mezzo di carreggiata.Infine il centro di rollio
(che è il punto attorno a cui avvengono le oscillazioni trasversali del
veicolo) deve cadere esattamente sull’asse della carreggiata e avere una
distanza dal terreno che sia al massimo di 200 mm. Il problema delle
sospensioni è un problema tutt’oggi ancora irrisolto.Nessun costruttore è
infatti riuscito ancora a progettare un sistema che si mantenga costante in
base alle caratteristiche studiate ma che durante il moto si approssimi solo a
tale sistema. Per poter ottenere l’asse della ruota,il CIR e il CR con le caratteristiche
suddette è necessario lavorare sulla lunghezza dei bracci delle sospensioni.
Attraverso un metodo iterativo che può essere implementato manualmente o da
appositi programmi a calcolatore si possono fare continuamente delle prove che
permettano di ottenere i tre fattori il più vicino possibile alle posizioni
della macchina in equilibrio.
L’incapacità di
raggiungere l’equilibrio è legata al fatto che un sistema di questo tipo
richiederebbe una continua modifica della lunghezza dei bracci delle sospensioni
in movimento. Procedura ovviamente praticabile (attraverso attuatori) ma
inattuabile poiché richiederebbe di aumentare la complicatezza meccanica di un
sistema che deve garantire l’assoluta stabilità in movimento del veicolo. Un
evento che ci può permettere di capire come in realtà tutti i sistemi di
sospensioni oggi prodotti siano solo prossimi all’equilibrio è il “fischio”
delle ruote che si sente su curve strette.
Tale rumore è dovuto al
fatto che le due gomme strisciano poiché in tali condizioni di curvatura non
riescono a mantenere il CIR stimato.
Ciò
ci fa capire come il massimo pericolo sia quello di avere una vettura in cui le
ruote anteriori (sterzanti) posseggano centri di istantanea rotazione diversi
da quelli teorici.E’ chiaro che se le ruote sterzanti anteriori diventano
quattro il problema viene raddoppiato dal momento che è necessario ottenere per
quattro ruote differenti il giusto centro di istantanea rotazione.
SCHEMA DELLA PROCEDURA DI ANALISI
N.B. :
CR = centro di rollio (intersezione
fra la retta congiungente il centro di istantanea rotazione con il punto mediano
di contatto terra-ruota e l’asse della carreggiata ,intendendo con essa la
distanza fra gli assi delle due ruote).
Il meccanismo
con cui si arriva alla determinazione del CR e del CIR è il medesimo per le
ruote posteriori.
La schematizzazione sopra
riportata è solo un’indicazione di come deve essere compiuto uno studio
cinematico e ne rappresenta di fatto solo il risultato. Come infatti si può
osservare in entrambi i casi vengono rispettate le indicazioni sopra elencate
per poter garantire la stabilità della vettura in movimento. Tale condizione
non potrà mai essere realizzata nella realtà poiché si verifica
sperimentalmente che in condizioni di moto non verranno mai mantenuti tali
punti fondamentali. E’ necessario ,quindi , di stabilire un intorno in cui si
può avere la variazione della posizione del CIR che in questo caso viene
stimato in un ellisse che abbia semiasse orizzontale di circa un quarto di
carreggiata e semiasse verticale di circa un mezzo di carreggiata.
Il fatto che le ruote
anteriori sterzanti siano quattro non cambia il tipo di studio che viene fatto
sulla cinematica del sistema di sospensioni. Infatti ogni coppia di ruota viene
considerata singolarmente e indipendentemente dalla loro sterzatura, Avere
quattro ruote sterzanti anteriormente porta infatti grossi problemi dal punto
di vista dell’analisi relativa alla cinematica di sterzo ma non modifica
l’analisi condotta sul cinematismo delle sospensioni.
Come si può notare
l’attacco dei bracci delle sospensioni anteriori è sfalzato e non in linea come
accade per quelle posteriori.
Questo permette di
mantenere l’asse della ruota in moto terminante nel punto di contatto
asse-terreno in quiete. Il motivo principale per cui viene pensato di
realizzare una vettura con sei ruote di cui quattro anteriori sterzanti è
proprio nella ricerca della stabilità. Infatti sei ruote permettono di
mantenere la vettura il più possibile aderente al terreno migliorando la
qualità della frenata. Le ruote anteriori di 16 pollici sono infatti più
piccole di quelle posteriori (20 pollici). Questo permette dunque di tenere la
vettura più bassa da terra e quindi di garantire non solo migliori prestazioni
ma anche migliora stabilità rispetto al flusso d’aria alle alte velocità.
Permette inoltre di
aumentare la frenata della vettura che viene infatti ripartita sulle quattro
ruote. Tale scelta costruttiva ha permesso di ovviare a tutti i limiti forniti
dal sistema di sospensioni.Si può notare che modificare il centro di istantanea
rotazione vuole dire modificare anche il centro di rollio.
E’ spesso facile arrivare
ad una situazione in cui la posizione del centro di istantanea rotazione
ottenuto sia ottimale ma per esempio il centro di rollio al di sotto della
soglia stradale. Tale condizione nelle studio cinematico non è dunque
ammissibile e come obbiettivo ultimo si deve fare in modo che essa non si
verifiche nemmeno con la macchina in movimento. Ecco perché ancora una volta è
importante il ruolo delle sospensioni attraverso le quali si evita il
raggiungimento di queste condizioni di totale instabilità. Tutto ciò ha
ovviamente un suo costo:viene infatti notevolmente complicata la cinematica
dello sterzo. Infatti la vettura pur avendo un ottima sterzatura ha una
notevole rigidezza alle alte velocità in condizioni di moto limite.
N.B. :
Non è stata compiuta un’
analisi alternativa al cinematismo delle sospensioni rispetto a quella proposta
dall’Ingegner Covini poiché ogni modifica di un solo parametro risultava
modificare l’intera complessità di tutta la struttura delle sospensioni
portando a risultati che si allontanavano in maniera vistosa da quelli che più
potessero approssimare l’equilibrio cinematico della vettura.