Stabilità dei rimorchi: da cosa dipende?

Introduzione

La stabilità dei rimorchi è una tematica di cui si sente spesso parlare, complici i numerosi filmati che documentano incidenti stradali, a volte catastrofici, e che di solito vengono condivisi sui social. Tali episodi scaturiscono dall’innescarsi di un fenomeno oscillatorio che si autoeccita e porta, in poco tempo, alla perdita di controllo del veicolo (in inglese il fenomeno è conosciuto come trailer sway). Ovviamente, i commenti a queste tipologie di video sono numerosi e spesso riguardano le cause che hanno portato al sinistro e le manovre che il conduttore avrebbe dovuto eseguire per evitarlo.

Su Youtube, a questo link, ho trovato un filmato piuttosto interessante che, mediante un modellino in scala, mostra come la stabilità del sistema veicolo – rimorchio sia legata alla ripartizione del carico sul rimorchio.

In questo articolo ti mostrerò come cambiano i limiti di stabilità di un autoveicolo con rimorchio variando non solo la ripartizione di carico, ma anche altri parametri, quali la posizione del gancio di traino o alcune caratteristiche del mezzo trainante e del rimorchio stesso. Inoltre, capiremo come e perché agire in un certo modo per evitare l’irreparabile.

Il concetto di stabilità

Da un punto di vista pratico, la condizione di equilibrio di un sistema dinamico si dice stabile quando, in presenza di una perturbazione esterna, il sistema oscilla nell’intorno della condizione di equilibrio senza divergere. In caso contrario l’equilibrio si dice instabile. In aggiunta, la condizione di equilibrio è detta asintoticamente stabile quando, dopo essere stato perturbato, il sistema torna allo stato iniziale.

Queste definizioni possiamo applicarle al complesso costituito da veicolo e rimorchio in marcia rettilinea, ove la perturbazione esterna può essere una forza laterale agente sul rimorchio (vento, irregolarità stradale, sterzatura del conducente, ecc.). Il filmato che ho condiviso qualche riga fa mostra bene questo comportamento.

Per garantire la sicurezza, la condizione da ricercare è quella di asintotica stabilità, ovvero, in caso di sterzatura, il rimorchio deve tornare alla condizione di partenza dopo un breve movimento oscillatorio.

I parametri che influenzano la stabilità dei rimorchi

Per capire quali fattori condizionano la stabilità di marcia di un veicolo con rimorchio, ho ricavato l’espressione matematica del modello schematizzato nella parte sinistra della fig. 1. I punti G_v e G_r sono i baricentri rispettivamente dell’autoveicolo e del rimorchio.

Per ottenere un sistema lineare che consentisse di comprendere meglio le influenze dei vari parametri e definire i limiti di stabilità, ho poi semplificato il modello arrivando alla rappresentazione illustrata nella parte destra di fig. 1.
Un modello del genere è volgarmente detto “a bicicletta” e le ipotesi che ne giustificano l’uso si attagliano alla nostra necessità (ho utilizzato lo stesso approccio nell’articolo Quali fattori influenzano il sottosterzo).

Non sto a tediarti con le formulazioni matematiche, ma preferisco illustrarti la questione con l’ausilio di grafici, molto più fruibili e di immediata comprensione.

Facendo variare alcune caratteristiche del sistema veicolo – rimorchio in funzione della velocità di marcia, ho estrapolato varie mappe di stabilità.
Nei grafici che seguono, le aree a sfondo blu indicano le zone di instabilità, mentre quelle a sfondo giallo definiscono le condizioni in cui il complesso è stabile.

Posizione del carico sul rimorchio

Iniziamo a vedere come varia la stabilità del sistema spostando il carico sul rimorchio, ovvero variandone la posizione del baricentro.

Il grafico di fig. 2 mostra che, allontanando il carico dal gancio di traino, si riduce la velocità di marcia alla quale il complesso mantiene la stabilità. Questo risultato è in linea con il video mostrato nell’introduzione.

È curioso il fatto che, in un certo intervallo (nel nostro caso specifico, quando il baricentro dista tra 1 e 1,5 metri dal gancio), il complesso rimane stabile anche ad alta velocità.
Le aree del grafico assumono differenti dimensioni a seconda delle caratteristiche del rimorchio e dell’autoveicolo, ma la forma resta, in linea di massima, abbastanza costante.

Distanza tra asse del rimorchio e gancio di traino

Ora, invece, variamo la distanza tra l’asse del rimorchio ed il gancio di traino (in questo caso ho tenuto il baricentro solidale all’asse del rimorchio). Il risultato è apprezzabile in fig. 3. La stabilità del complesso aumenta notevolmente.

Se l’asse del rimorchio è a 2 metri dal gancio di traino l’instabilità si verifica già poco sotto i 100 km/h, mentre portandola a 2,5 metri il complesso rimane stabile sino a circa 130 km/h.

Massa totale del rimorchio

Un’altra influenza importante è quella esercitata dalla massa totale del rimorchio. La fig. 4 evidenzia che la velocità critica diminuisce all’aumentare del carico sul rimorchio.

A titolo di esempio, ho considerato un rimorchio con massa pari a 700 kg ed ho fatto alcune simulazioni, per vedere cosa succede al rimorchio aumentando la velocità di marcia.
Le fig. 5 – 6 – 7 mostrano l’evoluzione dell’angolo compreso tra l’asse longitudinale del rimorchio e quello dell’autoveicolo trainante in seguito ad una sterzata con successivo riallineamento del volante.

La precedente fig. 5 è relativa ad una velocità di marcia di 50 km/h. Dopo l’oscillazione iniziale dovuta alla sterzatura, il rimorchio si riallinea in poco tempo.

La precedente fig. 6 è relativa ad una velocità di 80 km/h. Sebbene l’oscillazione sia più lunga, alla fine si verifica comunque il riallineamento (infatti siamo ancora nella zona di stabilità).

In fig. 7, il veicolo viaggia a 100 km/h. In questo caso l’oscillazione del rimorchio si amplifica, invece di attenuarsi. Ci troviamo in condizioni di instabilità: se il conducente non riduce la velocità di marcia, in poco tempo perderà il controllo del mezzo con le conseguenze che possiamo immaginare.

Nelle simulazioni ho imposto un input volante, ma la perturbazione potrebbe anche essere qualcos’altro, come ad esempio un colpo di vento sul rimorchio.

Rigidezza di deriva dell’assale del rimorchio

La stabilità dei rimorchi dipende anche dalla rigidezza di deriva dei loro assali. In fig. 8 si nota che la velocità di marcia limite, e quindi la stabilità, aumenta se incrementiamo la rigidezza di deriva dell’asse del rimorchio (ad esempio impiegando pneumatici più larghi).

Caratteristiche del veicolo che traina

La stabilità degli autoveicoli con rimorchi dipende ovviamente anche dalle caratteristiche del veicolo trainante, oltre che da quelle del rimorchio.
Nelle successive fig. 9 e 10 possiamo apprezzare come cambiano le aree di stabilità variando la massa e la posizione del baricentro del veicolo che traina.

Conclusioni

In conclusione, in questo articolo ti ho mostrato alcuni parametri che influenzano la stabilità dei rimorchi e come essi condizionano la massima velocità di marcia.

Sebbene l’entità di tali influenze dipendano dalle caratteristiche del rimorchio e del veicolo che traina, in linea di massima possiamo dire che le condizioni di stabilità si riducono se:

• viene aumentata la massa del rimorchio;
• il carico disposto sul rimorchio viene allontanato dal gancio di traino;
• diminuisce la rigidezza di deriva dell’asse del rimorchio;
• diminuisce la distanza tra il gancio di traino e l’asse del rimorchio;
• il veicolo che traina ha un baricentro più spostato verso il retrotreno;
• si riduce la massa del veicolo che traina.

Quelli visti sono alcuni dei parametri che condizionano la stabilità dei rimorchi e che possono essere indagati con il modello matematico che ho utilizzato per l’articolo.

Naturalmente, impiegando modelli non lineari più complessi possono essere individuate anche altre influenze, ma si perde l’immediatezza nella comprensione dei fenomeni in gioco.

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