Angolo di caster o di incidenza

Nell’articolo I parametri caratteristici della sospensione abbiamo dato solo una descrizione sommaria volta ad individuare i vari angoli e lunghezze che caratterizzano una sospensione.

In quest’articolo parleremo in modo più approfondito dell’angolo di caster (o di incidenza) analizzando quali effetti esso ha sulla dinamica del veicolo e sul feeling di guida. Prima di continuare la lettura consiglio di leggere I parametri caratteristici della sospensione a chi non l’avesse già fatto.

Guardiamo il nostro veicolo lateralmente (fig. 1).

Fig. 1 -Viste di una sospensione a quadrilatero. In tale tipologia di sospensione l’asse di king-pin (o di sterzo) coincide con la retta passante per gli attacchi dei triangoli superiore ed inferiore al mozzo.

È facile notare che l’angolo di caster, il braccio longitudinale a terra e quello a centro ruota non sono parametri indipendenti: in particolare, fissando due di essi si definisce inevitabilmente la posizione del terzo. Immaginiamo, ad esempio, di fissare l’angolo di caster: a seconda del valore che darò al braccio longitudinale a centro ruota, avrò un certo braccio longitudinale a terra. Questo discorso è importante perché ci fa capire che non sempre (anzi quasi mai) possiamo scegliere tutti i parametri a nostro piacimento al fine di ottimizzare le prestazioni di un dato sistema meccanico: spesso le nostre scelte saranno dettate da un compromesso. Detto ciò, iniziamo a vedere quali influenze l’angolo di caster esercita sul nostro veicolo.

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Il differenziale ordinario: le basi di funzionamento.

Fondamentalmente possiamo annoverare effetti sia sul feeling di guida, sia sull’handling del veicolo, cioè sulla prestazione dinamica vera e propria.

Dal punto di vista del feeling di guida, l’effetto principale è rappresentato dal contributo dato dall’angolo di caster al momento di autoallineamento, e quindi alla coppia che tende a centrare il volante e che percepiamo in fase di sterzatura. Tale contributo è in parte figlio del carico verticale agente sulla sospensione, in parte figlio delle forze tangenziali che si sviluppano sullo pneumatico (forze longitudinali e forze laterali).

Dal punto di vista dell’handling, l’effetto principale è il recupero dell’angolo di camber in sterzata. C’è però da precisare che il momento di autoallineamento, poc’anzi citato come grandezza legata al feeling di guida, è strettamente connesso anche alla guidabilità e quindi all’handling del veicolo, in quanto un volante “vuoto” non dà al guidatore la sensazione di cosa sta succedendo al veicolo in curva con conseguente possibile perdita di controllo.

Ma andiamo per gradi: vediamo prima cosa succede a veicolo fermo.

Se l’angolo di caster è diverso da 0°, la sterzatura delle ruote causa una variazione di quota asimmetrica della scocca in corrispondenza delle sospensioni anteriori destra e sinistra. In particolare, quando esso è positivo si ha che la ruota esterna deve ruotare sopra il suo asse di sterzo (o di king-pin) e questo comporta un abbassamento del lato esterno del muso del veicolo. La ruota interna, al contrario, tende a sollevare il suo lato poiché va a ruotare sotto il proprio asse di sterzo. Per capire meglio la questione ho creato un semplice modello cinematico di una ruota sterzante. In fig. 2 è possibile apprezzare l’andamento della variazione relativa di quota tra il suolo ed uno degli attacchi della sospensione al veicolo. Gli angoli di sterzatura negativi rappresentano la ruota esterna alla curva, quelli positivi la ruota interna. È evidente che maggiore è l’angolo di caster e più importanti saranno l’abbassamento del lato esterno del muso e l’innalzamento di quello interno.

Fig. 2 – Variazione di altezza del telaio in funzione dell’angolo di sterzatura per diversi valori dell’angolo di caster (da 0° a 12°).

È ovvio che il carico verticale agente sull’asse anteriore dà un contributo autosterzante al volante sul lato dove si verifica l’abbassamento del muso, cioè sul lato esterno. Esso dà invece un contributo autoallineante sulla parte interna, cioè dove il muso viene sollevato. Il risultato dei due contributi è pressoché nullo a veicolo fermo, poiché il carico verticale è più o meno distribuito uniformemente tra le ruote di uno stesso asse.

La situazione cambia nel percorrere una curva. In tale circostanza, a causa del trasferimento di carico, il lato esterno del veicolo risulta più caricato di quello interno. Il bilancio, in questo caso, è un contributo di coppia autosterzante.

Come abbiamo detto in precedenza, attraverso il caster influiscono sul comportamento del veicolo, non solo il carico verticale, ma anche le forze che si sviluppano sullo pneumatico. In particolare, tali forze esplicano i loro effetti grazie al braccio longitudinale a terra e quello a centro ruota. Nello specifico, in caso di braccio longitudinale a terra positivo, le forze laterali che il suolo trasmette allo pneumatico in curva tendono ad autoallineare lo sterzo.

Inoltre, un braccio longitudinale a terra positivo stabilizza il veicolo su traiettorie rettilinee in quanto anche la forza di resistenza al rotolamento tende ad autoallineare le ruote. Il classico esempio che viene fatto in questo caso è quello del carrello della spesa o del passeggino per bambini. In qualunque direzione spingiamo il carrello vedremo che le ruote sterzeranno fino a portare il proprio centro in posizione arretrata rispetto al loro asse di sterzo: è questa la loro posizione di equilibrio stabile. La stessa cosa succede negli autoveicoli.

La presenza di un braccio longitudinale a terra ha però anche alcuni svantaggi:

• su strade dissestate lo sterzo è soggetto a vibrazioni più intense a causa del maggiore braccio offerto alle forze laterali;
• aumenta la sensibilità al vento laterale ed il veicolo presenta una maggiore propensione a deviare in direzione concorde a quella del vento (lo stesso effetto si ha nel percorrere tratti caratterizzati da pendenze laterali).

Nelle vetture a trazione anteriore si tende ad adottare un valore piccolo dell’angolo di caster per non avere un eccessivo momento di autoallineamento. Infatti, dato che in tali veicoli la coppia è trasmessa all’asse sterzante, c’è già un contributo delle forze di trazione al momento di autoallineamento.  In tal caso, non è raro l’uso di un angolo di caster positivo piuttosto piccolo con braccio longitudinale a centro ruota negativo e braccio longitudinale a terra positivo, ma ovviamente ridotto. In tal modo si ottiene l’effetto stabilizzante in rettilineo, si contengono gli svantaggi dovuti ad un elevato braccio longitudinale a terra e non si ha un eccessivo momento di autoallineamento. D’altro canto, con un angolo di caster ridotto, non si riesce ad avere recupero di camber a ruote sterzate.

Riguardo quest’ultimo punto, come avevamo anticipato in precedenza l’angolo di caster influisce sulla variazione dell’angolo di camber (o campanatura) durante una manovra di sterzatura. Adottando elevati valori positivi per l’angolo di caster è possibile portare la ruota esterna alla curva in condizioni di camber negativo incrementando, in tal modo, la tenuta in curva dell’asse (vedi fig. 3).

Fig. 3 -La tabella mostra l’effetto dell’angolo di caster sul camber (o campanatura) in sterzata. A sinistra è possibile vedere le due viste (frontale e dall’alto) della ruota dritta. A destra sono rappresentate le stesse viste per la ruota sterzata. Si noti, nelle viste dall’alto, la maggiore campanatura negativa della ruota sterzata. Ciò è stato possibile grazie alla presenza di un certo angolo di caster.

Tale soluzione è tipica delle autovetture Mercedes a trazione posteriore, nelle quali non c’è il problema della trasmissione di coppia all’asse sterzante e si sente meno il bisogno di tenere sotto controllo il momento di autoallineamento .

Precisiamo che, allorquando il camber di una ruota si riduce, e quindi tende a valori negativi, si è soliti dire che essa recupera camber.

In fig. 4 ho riportato il grafico di un semplice modello cinematico di una ruota sterzante. In ascissa troviamo l’angolo di sterzatura della ruota (negativo per la ruota esterna alla curva, positivo per quella interna). In ordinata c’è il valore dell’angolo di camber (per semplicità ho posto il valore iniziale pari a zero). Si noti che per angoli di caster positivi, ma piccoli, non si ha recupero di camber in sterzata. Invece, oltre un certo angolo di caster (in questo caso sopra i 4°) si ha un recupero sempre più pronunciato del camber.

Fig. 4 – Variazione del camber (o campanatura) in funzione dell’angolo di sterzatura per diversi valori dell’angolo di caster (da 0° a 12°). L’angolo di king-pin è stato mantenuto costante e pari a circa 12°.