Guida introduttiva alle sospensioni: da molle e ammortizzatori a geometria e controllo attivo.

0. Cosa spiega questo articolo

• Quali molle e ammortizzatori gestiscono e come il modello di un quarto di auto li descrive.

• Perché comfort di marcia e stabilità di guida sono in conflitto tra loro e come viene scelta la rigidità.

• Le differenze strutturali e i punti di forza delle sospensioni MacPherson, a doppio braccio oscillante e multilink.

• Lo stato attuale dell'ammortizzazione attiva/adattiva, con MagneRide, ZF CDC e Porsche Active Ride.

• La relazione tra il trasferimento di peso in frenata (affondamento dell'avantreno) e le sospensioni.

1. In sintesi: cos'è la sospensione?

La sospensione è il meccanismo che mantiene il pneumatico a contatto con la superficie stradale, attutindo al contempo gli urti trasmessi dalla strada alla carrozzeria. La molla sostiene il peso della carrozzeria e immagazzina temporaneamente l'energia del movimento verticale, mentre l'ammortizzatore dissipa tale oscillazione sotto forma di calore, stabilizzandola. La geometria (configurazione dei bracci) determina la traiettoria lungo la quale si muovono l'angolo e la posizione del pneumatico, influenzando il comportamento del veicolo in curva e in fase di accelerazione/frenata. Negli ultimi anni, a questo si è aggiunto il controllo elettronico, con sistemi che variano attivamente la forza di smorzamento o l'altezza da terra a seconda della situazione, sistemi che si stanno diffondendo sempre di più.

2. Molla e smorzatore: il modello a quarto di auto

Figura 1 — Il modello di un quarto di auto (un modello equivalente per una singola ruota). L'input stradale passa attraverso la rigidità del pneumatico k_t alla massa non sospesa m_u, quindi attraverso la molla k_s e l'ammortizzatore c alla massa sospesa m_s.

Le equazioni del moto per il modello più semplice di un quarto di auto a due gradi di libertà possono essere scritte come:

Approssimando la sola massa sospesa come un singolo grado di libertà, la frequenza naturale e il rapporto di smorzamento possono essere scritti come:

Con Con \zeta<1 (smorzamento insufficiente) oscilla durante la convergenza; con \zeta=1 (smorzamento critico) converge nel minor tempo possibile senza oscillazioni; e con \zeta>1 (smorzamento eccessivo) la convergenza è più lenta. La massa sospesa di un'autovettura si trova generalmente nella regione di smorzamento insufficiente e \zeta viene spesso impostato intorno a 0,2-0,4 per bilanciare il comfort di marcia con la velocità di assestamento. Il lato non sospeso è dominato dalla rigidità degli pneumatici k_t e risuona a una frequenza molto più alta rispetto al lato sospeso, creando una divisione del lavoro in cui la massa degli pneumatici e del sistema di sospensioni assorbe le piccole irregolarità della strada, mentre la molla e l'ammortizzatore gestiscono input più ampi come le ondulazioni.

3. Il compromesso tra comfort di marcia e stabilità di guida

Figura 2 — Diagramma concettuale, non dati misurati. Irrigidire le sospensioni sopprime le variazioni di assetto della carrozzeria (rollio, beccheggio) e tende a migliorare la stabilità di guida, ma diventa più difficile assorbire le sollecitazioni della strada e il comfort di marcia tende a peggiorare.

Irrigidire la molla o l'ammortizzatore riduce il rollio in curva e il beccheggio in accelerazione/frenata, stabilizzando il contatto degli pneumatici e migliorando la stabilità di guida. D'altro canto, trasmette più direttamente le irregolarità della strada alla carrozzeria, peggiorando il comfort di marcia. Ammorbidire le sospensioni migliora il comfort di marcia, ma le variazioni di assetto diventano più ampie, aumentando la variazione del carico sugli pneumatici e rendendo più difficile interpretare il comportamento al limite. La messa a punto di un'auto di serie è una scelta su dove posizionarsi in questo compromesso tra i due assi: i modelli sportivi tendono alla stabilità di guida, mentre le berline e i minivan di lusso tendono al comfort di marcia. L'ammortizzazione adattiva descritta nella Sezione 5 può essere definita come una tecnologia che modifica questo compromesso altrimenti fisso in base alle condizioni di guida.

4. Tipi di sospensione: differenze di geometria

Figura 3 — Schema semplificato (non geometria esatta, ma diagramma concettuale del pensiero strutturale). In un montante MacPherson, il montante stesso funge sia da alloggiamento per molla/ammortizzatore che da asse di sterzo. In un doppio braccio oscillante, due bracci indipendenti, superiore e inferiore, controllano il movimento del fuso a snodo. In una configurazione multilink, da tre a cinque bracci sono posizionati individualmente per controllare con precisione i gradi di libertà di movimento.

Montante MacPherson: un singolo montante, che alloggia molla e ammortizzatore insieme, supporta direttamente la parte superiore del fuso a snodo, con un singolo braccio inferiore che ne posiziona la parte inferiore. Avendo pochi componenti, è leggero, compatto e facile da mantenere a basso costo, quindi è ampiamente utilizzato nelle auto di piccole e medie dimensioni a trazione anteriore. Il compromesso è che il montante trasmette la forza alla parte superiore della carrozzeria attraverso la torretta del montante, che necessita di una rigidità corrispondentemente elevata. Ecco.

Doppio braccio oscillante: bracci superiori e inferiori indipendenti (bracci oscillanti) supportano il fuso a snodo, con molla e ammortizzatore montati separatamente dai bracci. Poiché la lunghezza dei bracci e l'angolo di montaggio possono essere progettati indipendentemente, la variazione di campanatura e l'altezza del centro di rollio possono essere controllate con precisione in curva, come previsto, motivo per cui è preferito nelle auto sportive, di lusso e da corsa. Il compromesso è un maggior numero di componenti e un maggiore ingombro.

Multilink: invece di una suddivisione superiore/inferiore, questo formato prevede da tre a cinque bracci con angoli e lunghezze individuali, utilizzato principalmente per le sospensioni posteriori. Poiché c'è un grado di libertà per ogni braccio, le variazioni di convergenza e campanatura possono essere regolate individualmente per curva, frenata e accelerazione, rendendo più facile spingere sia il comfort di marcia che la stabilità di guida oltre i limiti geometrici. I costi di progettazione e produzione tendono ad essere relativamente elevati tra i tre formati.

5. Smorzamento attivo e adattivo

Le caratteristiche fisse di molla/ammortizzatore non possono sfuggire al compromesso della Sezione 4, ma il controllo elettronico che le modifica durante la guida si è diffusa ampiamente.

L'ammortizzazione adattiva modifica in tempo reale solo la caratteristica di smorzamento dell'ammortizzatore. Il sistema Magnetic Ride Control (MagneRide) di GM riempie l'ammortizzatore con un fluido magnetico (magnetoreologico) e ne varia la viscosità con la corrente inviata attraverso una bobina, modificando la forza di smorzamento senza una valvola meccanica. Si tratta di un marchio della casa produttrice Delphi, che si dice sia apparso per la prima volta sulla Cadillac Seville STS del 2002. Il sistema Continuous Damping Control (CDC) di ZF calcola una forza di smorzamento target dai dati dei sensori di ciascuna ruota e, secondo i documenti ufficiali, può regolare la forza di smorzamento fino a 100 volte al secondo.

Le sospensioni attive si spingono oltre, generando attivamente l'assetto della carrozzeria stessa, non solo quello dell'ammortizzatore. Si dice che l'Active Body Control (ABC) di Mercedes-Benz sia stato installato sulla Classe CL al Salone di Ginevra del 1999 come sistema che controlla attivamente l'assetto della carrozzeria tramite un sistema idraulico, e il suo successore, l'E-Active Body Il sistema Control utilizza un alimentatore da 48 V per controllare individualmente ogni ruota. Secondo il manuale ufficiale, funziona con una funzione di scansione della superficie stradale che analizza la strada per sopprimere le variazioni di assetto. Il sistema Porsche Active Ride equipaggia ogni ammortizzatore con una propria pompa elettroidraulica dedicata, che preleva energia direttamente dalla batteria ad alta tensione del veicolo per generare in modo indipendente la forza di estensione e compressione e, secondo i materiali ufficiali, risponde fino a 13 Hz.

Tra le tecnologie con radici nel motorsport, troviamo l'ammortizzatore DSSV (Dynamic Suspensions Spool Valve) di Multimatic. L'utilizzo di una valvola a spola anziché di una valvola a lamelle consente di regolare in modo indipendente le caratteristiche di estensione e compressione a bassa e alta velocità, con una minore variabilità tra le unità. Secondo l'azienda, la tecnologia risale alla sua introduzione in Formula 1 nel 2002. Un post ufficiale sul blog di Chevrolet descrive l'implementazione della tecnologia DSSV sulle auto di serie, inclusa la Corvette.

6. La relazione tra frenata e veicolo Dinamica

In frenata o in accelerazione, la carrozzeria subisce un trasferimento di peso longitudinale. Considerando l'altezza del baricentro come h, il passo come L, la massa come m e l'accelerazione longitudinale come a_x, il trasferimento di peso tra gli assi anteriore e posteriore può essere approssimato come

In caso di frenata brusca, il peso si sposta verso le ruote anteriori (affondamento del muso) e la molla anteriore si comprime mentre quella posteriore tende a sollevarsi. In accelerazione, accade il contrario: la parte posteriore si comprime, ovvero si abbassa. Analogamente, il trasferimento di peso laterale in curva, considerando la carreggiata come t e l'accelerazione laterale come a_y, può essere approssimato come

Il Maggiore è questo trasferimento di peso laterale, maggiore è il carico che si accumula sul pneumatico esterno mentre il carico diminuisce dal pneumatico interno e l'aderenza totale su tutti e quattro i pneumatici tende a diminuire. Nelle configurazioni a doppio braccio oscillante e multilink, gli angoli di montaggio dei bracci sono talvolta progettati per resistere all'affondamento anteriore in frenata o all'abbassamento posteriore in accelerazione — geometria "anti-affondamento" e "anti-abbassamento" — un'altra area in cui entra in gioco la libertà di layout dei collegamenti descritta nella Sezione 4. Per il meccanismo di frenata stesso (il circuito idraulico, ABS/ESC, miscelazione rigenerativa), vedere il Braking Systems Primer. Inoltre, poiché il peso di un pacco batterie si aggiunge alla massa sospesa in un EV, mentre un layout del motore nella ruota si aggiunge alla massa non sospesa, il design di m_s e m_u nel modello di un quarto di auto della Sezione 2 cambia anche con il layout della trasmissione. Vedi anche il [EV Introduzione al sistema di propulsione per la distribuzione del peso nei veicoli elettrici.

7. Confronto tra configurazioni

Sospensioni MacPherson | Poche | Bassa | Facile da controllare | Auto di piccole/medie dimensioni a trazione anteriore |

Sospensioni a doppio braccio oscillante | Molte | Elevate | Medio-alte | Auto sportive, di lusso, da corsa |

Sospensioni multilink | La maggior parte | Massima | Elevata | Assali posteriori, auto di lusso orientate al comfort |

Sospensioni passive convenzionali | Nessuna (caratteristica fissa) | Caratteristica molla/ammortizzatore costante | La maggior parte delle auto di produzione | Semplice, collaudata, ma il compromesso è fisso |

| Smorzamento adattivo (magnetoreologico) | Solo forza di smorzamento | Ammortizzatore Viscosità variabile in modo continuo in base alla corrente | Famiglia GM MagneRide | Nessuna valvola meccanica, risposta rapida | | Smorzamento adattivo (valvola a controllo elettronico) | Solo forza di smorzamento | Forza di smorzamento target calcolata dai dati del sensore e regolata tramite valvola | ZF CDC | Aggiornamenti ad alta frequenza, ma rimane un circuito idraulico | | Sospensioni attive (idrauliche) | Forza di smorzamento + assetto della carrozzeria | Gli attuatori idraulici generano attivamente la forza | Mercedes-Benz ABC/E-ABC, Porsche Active Ride | Richiede sistemi idraulici/energetici aggiuntivi, costo maggiore | | Ammortizzatore derivato dal motorsport | Regolazione di precisione della forza di smorzamento | La valvola a spola regola estensione/compressione, bassa/alta velocità in modo indipendente | Multimatic DSSV | Principalmente su allestimenti di produzione ad alte prestazioni |

8. Condizioni difficili e sicurezza

Se un ammortizzatore si degrada e inizia a perdere olio o forza di smorzamento, la molla rimane da sola a controllare l'oscillazione, rallentando la velocità di assestamento e peggiorando la tenuta di strada e la stabilità del punto di contatto in frenata. Usura delle boccole o delle sfere Le giunzioni compromettono la precisione del posizionamento del braccio, causando deviazioni in linea retta, rumore e usura irregolare degli pneumatici. Il bump steer, ovvero una momentanea trazione della ruota quando si passa su un dosso, può derivare dall'angolo di montaggio e dall'escursione previsti per i bracci, oppure dal gioco causato dall'usura. Quando un input elevato spinge la sospensione fino al suo limite meccanico di escursione (il finecorsa), qualsiasi ulteriore impatto viene assorbito dalla carrozzeria stessa. Pertanto, se l'altezza da terra o la dimensione degli pneumatici vengono modificate significativamente rispetto alla configurazione di serie, è necessario controllare la corsa e il gioco. Durante la manutenzione, i principi fondamentali sono: non lavorare con il carico ancora presente sulla molla, utilizzare strumenti specifici come un compressore per molle e seguire le procedure del manuale di servizio e i dispositivi di protezione individuale per il cablaggio idraulico ad alta tensione e alta pressione delle sospensioni attive o degli ammortizzatori adattivi elettrici.

9. Scelte pratiche

• Trasporto quotidiano, prevalentemente in città: un assetto più morbido e orientato al comfort, oppure un assetto con smorzamento adattivo, per bilanciare entrambi gli aspetti.

• Guida sportiva, strade di montagna: verificare la presenza di una geometria ad alta libertà come il doppio braccio oscillante abbinato a un Ammortizzatore più rigido o variabile.

• Strade dissestate, carichi molto variabili: una sospensione attiva pneumatica/idraulica in grado di regolare l'altezza da terra e le caratteristiche di smorzamento in base al carico e alla superficie stradale tende ad essere la soluzione migliore.

• Sostituzione degli ammortizzatori o regolazione dell'altezza da terra su un'auto esistente: se si modificano significativamente le caratteristiche rispetto alla configurazione di serie, è necessario considerare contemporaneamente l'escursione della molla, lo spazio libero rispetto al tampone di fine corsa e le modifiche geometriche (campanatura, convergenza).

10. Riepilogo (tre righe da rivedere)

La sospensione è un meccanismo in cui la molla supporta il carico e l'ammortizzatore dissipa le vibrazioni sotto forma di calore per stabilizzarlo. I modelli \omega_n e \zeta del modello a quarto di vettura ne descrivono il comportamento a grandi linee. Le sospensioni MacPherson, a doppio braccio oscillante e multilink differiscono per il grado di libertà dei loro bracci, che influenza il limite di comfort di marcia/stabilità di guida.

Controllo adattivo/attivo come MagneRide e Porsche Active Ride Si tratta di una tecnologia che modifica questo compromesso a seconda delle condizioni di guida ed è strettamente legata anche al trasferimento di peso in frenata e accelerazione.

Riferimenti

• Sito ufficiale MagneRide
• Manuale ufficiale Mercedes-Benz E-Active Body Control
• Porsche Newsroom — Porsche Active Ride
• ZF — Controllo continuo dello smorzamento (CDC) )
• Multimatic — Tecnologia di smorzamento DSSV
• Chevrolet — Tecnologia DSSV Multimatic
• SAE International