Carreggiata allargata: perché la tenuta in curva aumenta?
Quando vediamo un veicolo con l’assetto modificato rispetto all’originale, una delle prime cose che solitamente risaltano all’occhio è la carreggiata allargata. Questa caratteristica è forse l’unica che accomuna le modifiche dei tuners stradali con quelle degli off-roaders più incalliti: tutti gli altri interventi seguono ovviamente filosofie totalmente opposte. Mentre i primi portano la scocca praticamente a terra, i secondi la rialzano il più possibile. Gli uni mettono barre duomi ed aumentano i diametri delle barre stabilizzatrici, gli altri cercano espedienti per sganciare le barre antirollio o le eliminano direttamente per incrementare le capacità di twist.
In mezzo a tante differenze, l’allargamento della carreggiata è un intervento a cui spesso ricorrono sia gli amanti dell’asfalto, sia i maniaci del fuoristrada, sebbene per scopi diversi.
Tra i pro ed i contro di una carreggiata allargata, oggi parleremo della tenuta di strada.
Sicuramente la maggior parte di coloro che hanno effettuato tale modifica su una vettura stradale diranno che l’hanno fatta perché aumenta la tenuta in curva, ma non tutti saprebbero spiegare il perché. Ebbene la spiegazione sta nell’effetto del trasferimento di carico sugli pneumatici.
Per spiegare bene il concetto mi aiuterò con alcune figure molto semplificate che mostrano le forze agenti su un veicolo. Per semplificare la trattazione, ci concentreremo su un solo asse del veicolo e non prenderemo in considerazione le sospensioni (tali fattori comunque non cambiano il risultato a cui si perviene).
Immaginiamo di guardare il nostro veicolo da dietro. In fig. 1 è illustrata la condizione statica: il mezzo è fermo e su di esso agisce solo la sua forza peso che si ripartisce sulle ruote in maniera più o meno omogenea a seconda della posizione del baricentro. Dato che, in senso trasversale, il baricentro è abbastanza centrato, diciamo che il peso si distribuisce equamente tra i lati destro e sinistro del mezzo. Indichiamo quindi con Fz0 il carico verticale che agisce su ciascuna ruota.
Fig. 1 – Distribuzione del carico verticale sugli assi (condizione statica).
Ora, con il veicolo in marcia, effettuiamo una curva a sinistra. Come mostra la fig. 2, la forza centrifuga porta ad un trasferimento di carico tra l’interno e l’esterno curva.
Fig. 2 – Veicolo in curva. A causa della forza centrifuga si verifica un trasferimento di carico verticale dalla ruota interna alla ruota esterna alla curva.
Quindi, se chiamiamo ΔFz il carico trasferito, sulla ruota interna agirà un carico verticale pari a Fz0– ΔFz, mentre quella esterna sarà soggetta ad un carico verticale pari a Fz0+ ΔFz (fig. 3).
Fig. 3 – Veicolo in curva. Effetto finale del trasferimento di carico: la ruota esterna risulta sovraccaricata della stessa quantità di cui viene scaricata quella interna.
Le basi della fisica ci insegnano che la forza di attrito tra due superfici a contatto è legata alla forza con cui le superfici sono premute l’una contro l’altra: tale legame è esplicato da un coefficiente di attrito costante (fig. 4).
Fig. 4 – La forza di attrito tra due corpi rigidi a contatto è proporzionale al carico verticale.
Da ciò segue che, se raddoppiamo il carico verticale, la forza di attrito raddoppierà, se lo triplichiamo essa triplicherà e così via.
Per gli pneumatici purtroppo non avviene la stessa cosa. Infatti, il coefficiente che lega la forza laterale esplicabile dallo pneumatico al carico verticale agente su di esso non è costante. Questo fa sì che, all’aumentare del carico verticale, la forza laterale esprimibile dallo pneumatico aumenta, ma non proporzionalmente. In parole povere, se raddoppiamo il carico verticale, la capacità di forza laterale sicuramente si accrescerà, ma non raddoppierà. In fig. 5 è possibile vedere chiaramente quest’effetto. Le curve blu rappresentano l’andamento della forza laterale Fy sullo pneumatico al variare dell’angolo di deriva. Ciascuna curva è relativa ad un valore del carico verticale Fz agente sullo pneumatico. Il valore massimo di ogni curva rappresenta la massima forza laterale esplicabile dallo pneumatico in una data condizione di carico. Si noti che raddoppiando il carico verticale, il valore massimo della forza laterale non raddoppia.
Fig. 5 – Andamento della forza laterale dello pneumatico per diversi valori di carico verticale.
Ora trasponiamo quanto detto poc’anzi al caso di un veicolo in curva.
La ruota interna alla curva si scarica, mentre quella esterna si carica. Sebbene la quantità di carico verticale perso dalla ruota interna sia pari a quella guadagnata dalla ruota esterna, la perdita di aderenza della ruota interna non è controbilanciata da un pari aumento di aderenza della ruota esterna. Pertanto, complessivamente, l’assale subirà una diminuzione della massima aderenza disponibile rispetto a prima che avvenisse il trasferimento di carico (fig. 6). E maggiore è il trasferimento di carico, maggiore sarà la perdita di forza laterale esplicabile dall’assale rispetto al caso statico.
Fig. 6 – Variazione della forza laterale sviluppabile in funzione del carico verticale. Quando il veicolo è fermo, su entrambe le ruote agisce il carico Fz. Quando il veicolo percorre una curva, la ruota esterna prende più carico (Fz+ΔFz), mentre quella interna si scarica (Fz-ΔFz). La forza laterale complessivamente sviluppabile dall’asse (Fy1) risulta inferiore a quella ottenibile prima del trasferimento di carico (Fy0).
Ma cosa c’entra tutto ciò con l’ampiezza della carreggiata?
Semplice, basta guardare la fig. 7.
Fig. 7 – Una carreggiata allargata consente di ridurre il trasferimento di carico a parità di forza centrifuga.
Aumentando la carreggiata, aumenta il braccio a disposizione delle ruote per controbilanciare il momento ribaltante dovuto alla forza centrifuga. Questo vuol dire che, con una carreggiata allargata, il trasferimento di carico tra la ruota interna e quella esterna sarà minore: tale situazione, per quanto visto in precedenza, va a vantaggio dell’aderenza laterale dell’assale.
Ricapitolando:
carreggiata allargata => minore trasferimento di carico in curva => minore perdita di aderenza.
Lo stesso effetto di diminuzione del trasferimento di carico si otterrebbe riducendo l’altezza del baricentro hG.
Ciao Manuel, potresti spiegarmi come la variazione della carreggiata su un solo asse influisca su sottosterzo/sovrasterzo?
Certamente. Come puoi vedere dalla fig. 6, l’andamento della forza laterale Fy rispetto al carico verticale Fz non è lineare. Ad esempio, se raddoppio il carico verticale su uno pneumatico, la forza laterale che esso è in grado di sviluppare aumenta, ma non arriva a raddoppiare.
Quando entri in curva si ha un trasferimento di carico verso le ruote esterne alla curva: a causa della suddetta non linearità di Fy rispetto a Fz, ciò dà luogo ad una certa perdita nella capacità di sviluppare forze laterali (per questo, il valore Fy1 di fig. 6 è più basso di Fy0). Per questo motivo, se riduci il trasferimento di carico su un asse, riduci la deriva di quell’asse, a parità di altre condizioni.
Faccio un esempio. Se sterzi a sinistra, le ruote di sinistra perdono una parte di carico verticale che va a sovraccaricare le ruote di destra. Il carico verticale trasferito da destra a sinistra, in parte va verso lo pneumatico anteriore destro e in parte verso il posteriore destro. La ripartizione del carico tra pneumatico anteriore destro e posteriore destro dipende, in larga parte, da:
– posizione del baricentro rispetto agli assi (più il baricentro è vicino all’asse anteriore, maggiore è il trasferimento di carico sull’asse anteriore),
– rigidezza al rollio degli assi (il trasferimento di carico è maggiore sull’asse più rigido al rollio),
– altezza dei centri di rollio degli assi,
– carreggiata.
Per quanto riguarda la carreggiata, se aumenti la distanza tra le ruote di uno stesso asse, il trasferimento di carico su quell’asse diminuisce perché le ruote hanno un braccio maggiore a disposizione per contrastarlo. In parole povere, per quanto detto sopra, la diminuzione del trasferimento di carico consente agli pneumatici di “lavorare meglio” e derivare meno. Se fai derivare meno l’avantreno riduci il sottosterzo, mentre se fai derivare meno il retrotreno riduci il sovrasterzo.
Spero di aver chiarito un pò meglio la questione.
Salve, mi ricollego alla domanda sopra.
Perchè, allora, le vetture sportive a trazione posteriore (tipo Bmw M, Porsche ecc.) hanno la carreggiata posteriore sensibilmente più larga rispetto l’avantreno? Si vuole per caso compensare l’eccessivo sovrasterzo che si potrebbe generare?
Grazie
Salve Federico,
Sì. A parità di altre condizioni, allargando la carreggiata posteriore ne riduci la deriva e quindi contieni la tendenza al sovrasterzo della vettura. Ovviamente, soprattutto su certe tipologie di veicoli, una carreggiata più larga è anche la naturale conseguenza di altre scelte progettuali a livello di pneumatici, sospensioni, ecc.
Il diagramma delle forze rosse è sbagliato, infatti non esiste nessuna forza vincolare che traziona anziché spingere (A meno che la gomma non sia agganciata all’asfalto con dei chiodi) riferita alla ruota interna. Se poi si mette in mezzo il rollio della macchina che quindi rollando provoca in escursione dell’ammortizzatore che allungandosi produce meno spinta alla gomma sul terreno… è un altro discorso.
Buongiorno Fabrizio.
Il diagramma è corretto. Le forze rosse non sono reazioni vincolari, ma rappresentano la porzione di carico ΔFz che viene sottratta dalla ruota interna ed aggiunta a quella esterna alla curva. Infatti, se guardi bene la fig. 3, in corrispondenza delle frecce a strisce rosse e verdi ho scritto Fz+ΔFz sulla ruota esterna e Fz-ΔFz su quella interna, colorando le frecce in quel modo perché sono il risultato della differenza tra le frecce verdi (reazioni vincolari terreno-pneumatico in condizioni statiche) e quelle rosse (carico trasferito in curva). Le frecce a strisce rosse e verdi sono quindi le reazioni vincolari in curva, le quali, come giustamente hai detto, “spingono” lo pneumatico e non lo “trazionano”.