Centro di rollio: cos’è e come influenza il comportamento di un veicolo.

Un componente ormai onnipresente su tutti i veicoli ruotati, compresi i fuoristrada, è la barra antirollio. Essa ha il duplice compito di ridurre il rollio della cassa del veicolo, senza dover irrigidire eccessivamente le sospensioni, e di tarare la velocità del trasferimento di carico sull’asse su cui viene montata, consentendo di regolare il grado di sottosterzo del veicolo (in tal senso essa svolge anche un ruolo importante nella messa a punto del comportamento dinamico in curva). D’altro canto, in ambito off-road, a volte sarebbe utile non avere barre antirollio al fine di aumentare le capacità di twist del veicolo, ottimizzare i carichi verticali sulle ruote e quindi la capacità di trazione.

Tante parole su rollio, barre antirollio e affini, ma pochi cenni su quello che, dopo il baricentro, può essere considerato uno dei punti più importanti di un autoveicolo: il centro di rollio.

Il centro di rollio è importante perché è il punto in cui vengono scambiate le forze laterali tra masse non sospese (ruote) e masse sospese (cassa del veicolo). Per tale ragione, la sua posizione influenza l’evoluzione dinamica del moto di rollio della scocca e la dinamica laterale dell’intero veicolo.

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Sospensioni dipendenti o indipendenti? Questo è il problema…

Si può individuare un centro di rollio per ciascuna sospensione, intendendo per “sospensione” l’insieme dei componenti che collegano entrambe le ruote (destra e sinistra) di un assale alla cassa del veicolo. Ciò vuol dire che su un veicolo a due assi abbiamo due centri di rollio: uno in corrispondenza dell’asse anteriore ed uno in corrispondenza di quello posteriore. La posizione di ciascun centro di rollio dipende fondamentalmente dalla geometria della sospensione.

La retta passante per i due centri di rollio è detta asse di rollio ed è attorno ad essa che ruota la cassa del veicolo quando è soggetta ad accelerazione laterale (fig. 1).

Fig. 1 – L’asse di rollio è la retta passante per i due centri di rollio di un veicolo. Attorno all’asse di rollio ruota la scocca durante la percorrenza di una curva.

Nel momento in cui percorriamo una curva o affrontiamo una pendenza trasversale ci accorgiamo che il veicolo si corica, o meglio rolla: ora sappiamo che tale moto di rotazione avviene attorno all’asse di rollio.

In prima battuta, la posizione dei centri di rollio è rilevante se osservata rispetto alla posizione del baricentro del veicolo. Per chiarire questo concetto prendiamo in considerazione un classico metronomo meccanico utilizzato dai musicisti per scandire il tempo (fig. 2).

Fig. 2 – Metronomo.

Tale strumento è costituito da un’astina che oscilla attorno ad un perno fisso. Sull’astina scorre una massa concentrata, la quale può essere posta a varie distanze dal perno. Il concetto di funzionamento è molto semplice: maggiore è la distanza della massa dal perno, maggiore sarà l’inerzia della parte oscillante e maggiore sarà il tempo tra un rintocco e l’altro del metronomo.

Ora trasferiamo questo concetto sul nostro veicolo andando a considerare per semplicità un solo assale (fig. 3).

Fig. 3 – Schematizzazione del moto di rollio. La cassa del veicolo ruota attorno al centro di rollio.

Quello che prima era il perno dell’astina oscillante ora è il centro di rollio e quella che era la massa concentrata ora è il baricentro del veicolo. Maggiore è la distanza tra il baricentro ed il centro di rollio, maggiori saranno l’ampiezza ed il tempo di rollio. Quindi cosa succede se affrontiamo una curva con un veicolo in cui abbiamo aumentato la distanza tra centro di rollio e baricentro? A parità di tutte le altre condizioni (rigidezza delle sospensioni, barre antirollio, ecc.) abbiamo che:

• la cassa del veicolo ha un moto di rollio più lento nel concludersi, perché è maggiore il momento d’inerzia della massa oscillante rispetto al centro di rollio;
• oltre ad avere un assestamento più lento, il rollio è anche più ampio, in quanto è maggiore il braccio a disposizione delle forze laterali (fig. 4 – 5);

Fig. 4 – In curva la forza laterale agente sul baricentro fa ruotare la cassa del veicolo attorno al centro di rollio. Maggiore è la distanza tra baricentro e centro di rollio e maggiore sarà il braccio a disposizione della forza laterale, quindi l’angolo di rollio risultante sarà più ampio.

Fig. 5 – I grafici mostrano come evolve l’angolo di rollio della cassa del veicolo durante una brusca sterzata. La curva più alta rappresenta la situazione con centro di rollio a terra. A mano a mano che avviciniamo il centro di rollio al baricentro le curve assumono valori sempre più piccoli e si assestano prima.

• il trasferimento di carico verticale tra la ruota interna e quella esterna alla curva è più lento, a causa di una più lenta dinamica di rollio, e questo fa sì che il veicolo impieghi più tempo a raggiungere l’assetto stazionario in curva (fig. 6);

Fig. 6 – Andamento del trasferimento di carico al variare della distanza tra baricentro e centro di rollio. La linea blu, cioè quella che assume valori maggiori, è relativa alla situazione di centro di rollio a terra, mentre la linea viola, cioè quella totalmente piatta, corrisponde alla configurazione con centro di rollio coincidente con il baricentro.

• tutto ciò porta ad avere un veicolo meno reattivo.

In base a quanto appena detto sembrerebbe che la condizione ottimale sia quella di avere il baricentro posto proprio sull’asse di rollio. Una condizione del genere ci consentirebbe di eliminare il moto di rollio (a meno dello schiacciamento degli pneumatici). Ciò vuol dire che in curva il veicolo raggiungerebbe istantaneamente l’assetto finale, perché rimarrebbe perfettamente “piatto”; inoltre, nell’affrontare un terreno con una certa pendenza trasversale, la cassa del veicolo non si coricherebbe verso valle. Fantastico!

Eppure c’è qualche nota stonata nel discorso appena fatto.

Innanzitutto, dato per fisso il baricentro, raramente è possibile variare a proprio piacimento la posizione del centro di rollio di una sospensione senza incorrere in altre problematiche, anche di tipo costruttivo.

In secondo luogo, nelle sospensioni a ruote indipendenti, si può dimostrare che, all’aumentare della distanza del centro di rollio dal suolo, aumenta il cosiddetto suspension jacking. Questo fenomeno consiste nel sollevamento (o abbassamento) della cassa di un veicolo soggetto ad accelerazione laterale. Infatti, quando percorriamo una curva, la scocca del veicolo non solo ruota attorno al centro di rollio, ma viene anche sollevata (o abbassata) rispetto al suolo (fig. 7).

Fig. 7 – La posizione del centro di rollio influenza il suspension jacking, cioè l’innalzamento (o l’abbassamento) della massa sospesa.

Nelle sospensioni a ruote indipendenti non è auspicabile avere un elevato jacking in quanto ciò comporta variazioni importanti nell’assetto delle ruote e strisciamenti trasversali degli pneumatici con conseguente riduzione di aderenza e consumo eccessivo del battistrada. Tale fenomeno si annulla se il centro di rollio viene fatto coincidere con il piano del terreno.

In ultima analisi, l’inconveniente più importante di avere il centro di rollio coincidente con il baricentro è quello di perdere la possibilità di tarare il comportamento dinamico del veicolo. Cosa vuol dire?

Semplice. Uno degli strumenti più semplici ed efficaci per mettere a punto il comportamento sovra/sottosterzante del veicolo è la barra antirollio. Se annulliamo il rollio del veicolo ponendo il centro di rollio nella stessa posizione del baricentro, annulliamo l’azione delle barre antirollio.

Per tali ragioni, nei veicoli con sospensioni a ruote indipendenti, si cerca di tenere i centri di rollio in prossimità del suolo. L’elevato moto di rollio che si avrebbe a causa della notevole distanza con il baricentro viene eliminato adottando barre antirollio di diametri adeguati (fig. 8).

Fig. 8 – Progettando le sospensioni in modo tale da avere il centro di rollio vicino al suolo il veicolo sarebbe soggetto a moti di rollio eccessivi se non venissero utilizzate barre stabilizzatrici.

Un po’ diverso è il caso di veicoli destinati prevalentemente al fuoristrada. Infatti, l’attitudine ad evoluire su terreni non preparati è dettata anche dalla capacità del veicolo di trasmettere forze al suolo, il che si esplica nell’efficienza che le ruote hanno nel seguire il profilo del terreno. Le barre antirollio riducono tale prestazione in quanto limitano i movimenti relativi tra le ruote e la cassa veicolare. Per tale ragione, nelle sospensioni dei mezzi impiegati principalmente in off-road potrebbe essere più vantaggioso avere un centro di rollio più alto da terra e quindi più vicino al baricentro del veicolo al fine di impiegare barre antirollio più piccole senza correre il rischio di oscillare in curva come un barcone in balia delle onde!

Sin qui abbiamo parlato di cosa succede al variare della posizione del centro di rollio rispetto al baricentro ed al suolo, ma non abbiamo detto come si individua tale punto e soprattutto come è possibile spostarlo. Tale compito sarà demandato ai prossimi articoli nei quali vedremo più in dettaglio la posizione del centro di rollio in base ai vari tipi di sospensione.

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