Sospensioni dipendenti o indipendenti? Questo è il problema…

In quest’articolo parleremo di sospensioni: una delle tematiche a me più care. In particolare, faremo un confronto tra sospensioni dipendenti e sospensioni indipendenti sia per l’impiego su veicoli stradali, sia per l’impiego su veicoli destinati al fuoristrada.

Nelle sospensioni dipendenti le due ruote di un asse del veicolo sono connesse mediante una struttura rigida che ne impedisce i movimenti relativi. Elemento comune a tutte le realizzazioni appartenenti a tale categoria è quindi l’asse (o ponte) rigido, il quale viene poi collegato allo chassis del veicolo con varie soluzioni. In caso di asse motore del veicolo, il ponte ingloba anche il differenziale e gli alberi di trasmissione.

Il collegamento del ponte rigido allo chassis può essere realizzato con varie soluzioni e ciò dipende, in parte, anche dal tipo di elementi elastici utilizzati. Infatti, utilizzando molle a balestra, il ponte teoricamente non necessita di altri link di collegamento, in quanto le balestre forniscono un vincolo sia longitudinale sia trasversale ai moti relativi tra il telaio e l’asse (fig. 1).

Invece, utilizzando molle elicoidali bisogna prevedere dei link aggiuntivi e qui le geometrie possono essere varie. Comunque, la regola è sempre la stessa: l’assale deve essere vincolato sia longitudinalmente sia trasversalmente e tale requisito viene solitamente soddisfatto utilizzando una struttura a quattro link (fig. 2) o impiegando semplicemente dei link disposti lungo l’asse longitudinale del veicolo per assorbire le forze longitudinali ed uno o più link disposti perpendicolarmente ad esso per assorbire le forze laterali (tipicamente barra Panhard o quadrilatero di Watt).

Nelle sospensioni indipendenti, come dice la parola stessa, le ruote di uno stesso asse sono connesse singolarmente allo chassis del veicolo, quindi non c’è influenza tra la corsa di una sospensione e quella dell’altra. Questa categoria di sospensioni ingloba un’elevata numerosità di geometrie differenti che possono essere raggruppate nelle seguenti tipologie principali:

• ponte torcente;
• MacPherson (fig. 3);
• quadrilateri trasversali alti o bassi (fig. 4 – 5);
• multilink;
• triangoli oscillanti (fig. 6);
• bracci trasversali;
• bracci longitudinali (fig. 7).

Attualmente, in campo stradale, le geometrie più diffuse sono le prime cinque, mentre le sospensioni con bracci trasversali e longitudinali sono ormai utilizzate raramente ed in ambiti particolari. Un tipico esempio di vettura con sospensioni a bracci longitudinali era la Citroen 2 CV, mentre i bracci trasversali sono utilizzati sugli autocarri della ditta Tatra (https://m.youtube.com/watch?v=JDynVAv8-MU).

Diciamo sin da subito che in ambito stradale le sospensioni ad assale rigido sono state surclassate da quelle indipendenti in quanto gli svantaggi risultano maggiori dei vantaggi. La stessa cosa non si può dire per i veicoli commerciali e per quelli destinati all’uso fuoristrada: in questi campi l’assale rigido continua a fare il proprio mestiere ed i pro possono superare i contro.

Ma veniamo al dunque: quali sono i pregi e i difetti di una sospensione ad assale rigido?

Dato che, in sintesi, confronteró la soluzione con assale  rigido con quella a ruote indipendenti, dagli svantaggi di una emergeranno ovviamente i vantaggi dell’altra e viceversa.

Iniziamo dai difetti e facciamo un breve elenco in modo tale da avere una situazione più chiara.

Difetti di una sospensione ad assale rigido.

Ingombro verticale elevato.

Avendo un elemento rigido di collegamento tra le due ruote, una sospensione ad assale rigido obbliga la cassa del veicolo a stare ad una certa quota da terra rispetto ad una sospensione a ruote indipendenti: a parità di altezza massima, ciò implica una riduzione degli spazi sfruttabili all’interno della scocca (fig. 8).

In alcuni veicoli militari (come il VBM “Freccia” o la Blindo Armata “Centauro”) si è scelto l’impiego di sospensioni MacPherson al fine di massimizzare lo spazio a disposizione della scocca veicolare senza esagerare con lo sviluppo in verticale.

Limitato potenziale di messa a punto in termini di cinematica ed elastocinematica.

La sospensione a ruote dipendenti ha un ridotto potenziale di messa a punto in termini di cinematica ed elastocinematica in quanto le ruote di uno stesso asse sono vincolate tra loro e non hanno la possibilità di compiere movimenti relativi.

Elevate masse non sospese, soprattutto se il differenziale è posto nell’intelaiatura del ponte.

A grandi linee, vengono considerate masse non sospese tutto ciò che sta al di sotto dell’elemento elastico della sospensione, e quindi ruote complete e parte degli elementi della sospensione stessa, a seconda della geometria. Questo è forse uno dei principali motivi per cui gli assali rigidi sono praticamente spariti dalla totalità delle autovetture prettamente stradali. Infatti, tale fattore influenza negativamente tre aspetti prestazionali importanti: il consumo di carburante, la tenuta di strada, il comfort di marcia.

Il primo aspetto è facile da comprendere: maggiore è la massa di un veicolo, maggiore sarà l’energia richiesta per muoverlo e quindi maggiori saranno i consumi di carburante.

Invece, per spiegare le ripercussioni negative sul comfort di marcia e sulla tenuta di strada prendiamo un modello dinamico molto semplificato di una sospensione: il cosiddetto modello quarter car (fig. 9). Tale modello è così chiamato perché simula il comportamento di un quarto di vettura.

Il blocco m_s è la massa sospesa, il blocco m_ns è la massa non sospesa, k_s e k_p sono le rigidezze della sospensione e dello pneumatico, c_s è il coefficiente di smorzamento dell’ammortizzatore.

Scrivendo le equazioni differenziali del sistema dinamico così definito possiamo ricavare l’andamento delle grandezze d’interesse in funzione della frequenza delle asperità stradali (evito la scrittura delle equazioni perché in questo contesto è interessante capire il concetto).

In particolare:

• come indice di comfort prendiamo l’accelerazione della massa sospesa: minore e più uniforme è l’accelerazione e maggiore sarà il comfort;
• come indice di tenuta di strada prendiamo la variazione della forza di contatto tra pneumatici e suolo: per massimizzare la trazione è bene ridurre la componente fluttuante della forza verticale agente sullo pneumatico in presenza di asperità stradali (in parole povere lo schiacciamento dello pneumatico deve allontanarsi il meno possibile dal valore che assume in condizioni statiche).

Osservando la fig. 10, relativa al comfort, notiamo che all’aumentare della massa non sospesa il picco di accelerazione della massa sospesa si sposta verso le basse frequenze.

Sebbene il valore massimo dei picchi non cambi, è preferibile spostarlo verso frequenze più alte perché sopra certi valori (circa 20 Hz) l’essere umano tollera meglio le accelerazioni a cui è sottoposto. Da ciò scaturisce il fatto che, ai fini del comfort, è meglio ridurre le masse non sospese.

Più evidente è il miglioramento che la riduzione delle masse non sospese offre alla tenuta di strada.  Osservando la fig. 11, relativa alla variazione della forza di contatto tra pneumatico e suolo, notiamo che diminuendo le masse non sospese il carico verticale agente sulle ruote è più uniforme.

Generica bassa rigidezza a rollio.

Tra vari altri parametri, la rigidezza al rollio dipende anche dalla distanza tra gli attacchi delle molle al telaio, la quale è inferiore alla carreggiata. Spesso, a parità di coefficiente di rigidezza degli elementi elastici, i veicoli con sospensioni a ruote dipendenti hanno una distanza tra le molle inferiore rispetto a quelli con sospensioni indipendenti, pertanto possono mostrare una maggiore propensione al rollio.

Mutua influenza delle ruote.

Dato che le ruote di uno stesso asse sono rigidamente connesse tra loro, è ovvio che le asperità stradali agenti su una si ripercuotono inevitabilmente anche sull’altra (fig. 12).

Variazione del carico verticale sulle ruote in funzione della coppia motrice.

Negli assali rigidi che inglobano il differenziale, la coppia trasmessa dall’albero di trasmissione alla scatola del differenziale dà luogo ad una coppia di reazione sugli pneumatici e quindi ad una variazione del carico verticale tra ruota destra e ruota sinistra (fig. 13).

In pratica, uno dei due pneumatici risulterà più carico ed avrà a disposizione maggiore trazione, mentre l’altro risulterà più scarico. In generale, il bilancio di tale fenomeno è negativo sulla forza di trazione disponibile alle ruote.

Coppie indotte sul volante in presenza di asperità stradali.

Lo scuotimento differenziale delle ruote di un assale rigido durante la marcia del veicolo causa inevitabilmente una notevole variazione dell’angolo di camber delle ruote. Questa situazione porta al formarsi di coppie giroscopiche che tendono a sterzare le ruote. Se l’assale in argomento è quello sterzante, tale fenomeno dà luogo a coppie indotte sul volante che dipendono dalla velocità di marcia e dall’entità delle asperità.

Pregi di una sospensione ad assale rigido.

Non ci sono variazioni di convergenza, carreggiata e campanatura né al variare dell’angolo di rollio del veicolo né al variare del carico sull’asse.

Questo è uno dei pregi più importanti di un assale rigido che lo annovererebbero al top della classifica, se le strade fossero perfettamente piane. Infatti, come è possibile vedere dalle fig. 14, mentre il rollio della cassa di un veicolo con sospensioni indipendenti tende a variare gli angoli caratteristici delle ruote, il rollio di un veicolo con assale rigido non dà luogo a variazioni di assetto della ruota, a meno della deformazione dello pneumatico.

Il mantenimento dell’assetto ruota e l’invarianza della carreggiata dà luogo anche a minori consumi del battistrada degli pneumatici.

Variazioni di forza verticale minore rispetto alle sospensioni indipendenti in condizioni di twist.

Questa è una caratteristica molto importante per i veicoli destinati al fuoristrada. Nel momento in cui il veicolo affronta asperità del terreno con altezze differenziate sulle singole ruote, la distribuzione dei carichi verticali sulle ruote cambia fino alla condizione limite di annullamento della forza verticale su una o più ruote ed evidente impossibilità di sviluppare trazione. Si può dimostrare analiticamente che, a parità di elongazione e rigidezza degli elementi elastici, le sospensioni dipendenti consentono di contenere la variazione dei carichi sugli pneumatici rispetto a quelle indipendenti. In poche parole, un veicolo con assali rigidi segue meglio l’andamento del terreno rispetto ad uno con ruote indipendenti.

Dopo aver ricavato le giuste equazioni, in fig. 15 ho riportato l’andamento della variazione del carico verticale sulle ruote per un veicolo dotato di assale rigido e per uno dotato di sospensioni indipendenti. La situazione rappresentata nel grafico è quella in cui la ruota anteriore sinistra e la posteriore destra vengono sollevate fino a raggiungere la condizione di annullamento della forza verticale sulle altre due ruote (tipica condizione di twist).

Si può notare che il veicolo con sospensione indipendente raggiunge prima la condizione di carico verticale nullo sulle ruote che non sono state sollevate. Tale confronto è stato fatto a parità di rigidezza delle sospensioni.

Robustezza.

In generale, le sospensioni ad assale rigido sono più robuste di quelle a ruote indipendenti e le geometrie utilizzate consentono di resistere meglio alle sollecitazioni trasmesse dal suolo.

Economicità.

La semplicità costruttiva, la ridotta numerosità di componenti e l’assenza di una messa a punto complessa quanto quella di una sospensione indipendente comporta, per forza di cose, una certa economicità realizzativa ed anche manutentiva.

La luce da terra resta invariata al variare del carico sull’asse (a meno dello schiacciamento degli pneumatici).

Questo è uno dei motivi per cui le sospensioni ad assale rigido sono molto usate su quei veicoli caratterizzati da carichi verticali sugli assi molto variabili (come i veicoli commerciali). All’aumentare del carico verticale sullo chassis e quindi all’aumentare dello schiacciamento delle molle, non varia la luce tra l’assale ed il terreno, a meno ovviamente dello schiacciamento degli pneumatici (fig. 16 e 17).

Con l’impiego di molle a balestra si riducono le sollecitazioni trasmesse al telaio.

Nei veicoli commerciali l’assale rigido viene spesso accoppiato a molle a balestra: in questo modo si riescono a distribuire meglio le forze sul telaio. Infatti, mentre con una molla elicoidale la forza viene trasmessa allo chassis in un unico punto, una molla a balestra ripartisce i carichi su due punti.

Alla luce di quanto detto sopra, possiamo tirare le somme del discorso.

Sulle autovetture stradali gli assali rigidi sono scomparsi perché i pregi di questi ultimi non hanno molta rilevanza per un uso stradale e su veicoli leggeri. In tale ambito hanno più rilevanza il miglioramento del comfort e della tenuta di strada, la riduzione delle masse e quindi dei consumi, l’ottimizzazione degli spazi a disposizione dell’abitacolo.

Invece, sui veicoli commerciali e sui fuoristrada entrano in gioco in maniera più importante altri requisiti quali la robustezza, l’invarianza dell’assetto ruota e della carreggiata al variare dell’altezza dello chassis, la maggiore capacità di twist, ecc.

In particolare, sul settore fuoristrada c’è da fare una distinzione. Se parliamo di veicoli destinati ad affrontare tracciati off-road impegnativi e quindi con ridotte velocità di percorrenza, in generale il ponte rigido si propone come la soluzione migliore. Se, invece, parliamo di veicoli destinati ad affrontare off-road leggeri con elevate velocità di percorrenza, la riduzione delle masse non sospese, votata all’incremento della tenuta di strada, la fa da padrone e la soluzione migliore potrebbe essere quella di impiegare sospensioni indipendenti.

Potremmo aprire un ulteriore parentesi sui veicoli destinati all’uso militare. In questo caso, l’uso di sospensioni indipendenti può anche essere giustificato dal fatto di disporre di maggiore spazio tra le ruote contenendo lo sviluppo in altezza del veicolo.