Barre duomi e simili: servono davvero?

Barre duomi, strut arm e lower arm bar.

Qualche tempo fa mi è stato chiesto di scrivere un articolo in merito a quegli elementi di irrigidimento comunemente noti come barre duomi.
In realtà, il termine “barre duomi” viene spesso utilizzato impropriamente per identificare due differenti tipologie di componenti: le strut bar e le lower arm bar. Le prime sono installate sui duomi dei gruppi molla-ammortizzatori, tipicamente su vetture con sospensioni MacPherson, mentre le seconde sono collocate nel sottoscocca del veicolo, in corrispondenza dei braccetti inferiori delle sospensioni (fig. 1).

Fig. 1 – Strut bar (a sinistra) e lower arm bar (a destra).

In rete si trovano le più svariate teorie che sostengono o confutano la reale utilità di tali componenti. Che funzione hanno? Servono davvero?
Scopriamolo insieme.

Come si deforma la scocca del veicolo?

Durante la marcia, lo chassis di un autoveicolo è continuamente sollecitato da carichi esterni che tendono a deformarlo in modo più o meno marcato. In particolare, possiamo individuare quattro tendenze deformative principali:

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• torsione;
• flessione verticale;
• flessione laterale;
• deformazioni locali.

La torsione è sicuramente uno dei parametri fondamentali che guida la progettazione del corpo vettura. Essa si manifesta con il disallineamento angolare tra la parte anteriore e quella posteriore dello chassis (fig. 2).

Fig. 2 – Visualizzazione schematica della torsione della scocca.

La flessione verticale è il risultato dell’azione dei carichi verticali sul corpo vettura, il quale si comporta come una trave appoggiata sulle sospensioni (fig. 3).

Fig. 3 – Flessione verticale della scocca.

La flessione laterale si verifica fondamentalmente in curva: l’inerzia del corpo vettura tende a spingere il veicolo fuori traiettoria, mentre sugli pneumatici si sviluppano forze laterali che mantengono il mezzo sul percorso imposto (fig. 4). Ciò dà luogo alla flessione laterale del telaio.

Fig. 4 – Flessione laterale della scocca.

Le deformazioni locali si riferiscono invece agli spostamenti dei punti di attacco delle sospensioni al telaio e sono responsabili di disallineamenti che vanno a modificare gli angoli caratteristici e quindi l’assetto tra pneumatici e suolo.
Diversi studi sull’argomento hanno mostrato che la flessione laterale della scocca e le deformazioni locali sono i fattori che influenzano maggiormente la dinamica del veicolo.

Scocca più o meno rigida?

Dopo aver brevemente illustrato le principali deformazioni a cui è soggetto il corpo vettura, sorge spontanea una domanda: quanto deve essere rigida la scocca di un autoveicolo? La domanda potrebbe sembrare scontata, ma tutto sommato non lo è.
Se parliamo di un veicolo stradale, l’obiettivo è quello di massimizzare la rigidezza del telaio. In tal modo si riducono i ritardi nei trasferimenti di carico, aumenta di conseguenza il feeling di guida e si consente alle sospensioni di lavorare nel miglior modo possibile, in quanto sono soltanto esse a deformarsi e non i loro punti di attacco. Inoltre, un telaio torsionalmente rigido permette una migliore taratura delle sospensioni con maggiori possibilità nella regolazione del comportamento direzionale del veicolo (per ulteriori informazioni consulta l’articolo di approfondimento cliccando qui).
Tutto ciò è testimoniato dall’incremento dei valori di rigidezza delle scocche delle automobili con il passare degli anni (rif. [1]).
Al contrario, se parliamo di veicoli fuoristrada, il discorso cambia.
Al crescere dell’accidentalità del terreno ed al ridursi della velocità di avanzamento, inizia ad essere premiante avere un telaio più flessibile. In tal modo esso coadiuva le sospensioni nel compito di garantire alle ruote il contatto con il suolo e quindi la capacità di trazione (fig. 5).

Fig. 5 – Trattore d’artiglieria Pavesi. Al fine di seguire al meglio il profilo del terreno, il telaio del Pavesi era composto da due moduli con articolazione centrale.

Gli effetti degli elementi di irrigidimento trasversali (barre duomi e lower arm bar).

Dopo questa breve, ma doverosa premessa sui meccanismi di deformazione e sulla rigidezza del telaio automobilistico, arriviamo al cuore dell’articolo. Quali effetti producono le barre duomi sulla dinamica di un autoveicolo?
Le barre duomi (strut bar), così come le lower arm bar, non apportano miglioramenti rilevanti alla rigidezza torsionale del veicolo. Infatti, essendo elementi di irrigidimento trasversali, esse non riescono ad opporsi in maniera efficace alla torsione del telaio. Per dimostrare questa affermazione ho simulato l’applicazione di un momento torcente ad un semplicissimo telaio a forma di parallelepipedo (fig. 6).

Fig. 6 – Elementare modello di telaio soggetto a torsione (il valore della massima deformazione è espresso in mm).

Inserendo un elemento di irrigidimento simile ad una barra duomi, la deformazione del telaio non si riduce (fig. 7).

Fig. 7 – Elementare modello di telaio (con elemento di irrigidimento) soggetto a torsione (il valore della massima deformazione è espresso in mm).

Aggiungendo un ulteriore elemento nella zona inferiore per simulare la presenza concomitante di una lower arm bar, la deformazione della struttura si riduce, ma in maniera davvero poco apprezzabile (fig. 8).

Fig. 8 – Elementare modello di telaio (con due elementi di irrigidimento) soggetto a torsione (il valore della massima deformazione è espresso in mm).

Quanto espresso in merito alla rigidezza torsionale, emerge non solo dal mio semplice modello, ma anche dai risultati di vari studi condotti al riguardo (come quelli riportati nel rif. [2]).
Le strut bar e le lower arm bar incrementano principalmente la rigidezza alla flessione laterale e la rigidezza localizzata nei punti di attacco delle sospensioni.
Quando un veicolo entra in curva, le forze che si sviluppano tra pneumatici e suolo vengono trasmesse al corpo vettura: in parte vengono contrastate dai braccetti, in parte sono assorbite dagli elementi elastici e smorzanti (molle, ammortizzatori, barre antirollio) e danno luogo alla compressione della sospensione.
Se parliamo di una sospensione MacPherson, i braccetti assorbono la maggior parte della sollecitazione laterale (fig. 9), quindi i loro punti di attacco al telaio devono possedere valori di rigidezza particolarmente elevati.

Fig. 9 – Schematizzazione delle forze agenti su una sospensione MacPherson.

Le lower arm bar, se installate in corrispondenza dei bracci inferiori delle sospensioni, si oppongono alla deformazione delle zone di attacco dei braccetti alla scocca riducendo la perdita di camber e la variazione di convergenza della ruota posta all’esterno della curva. Se la lower arm bar è collocata sull’avantreno, i principali effetti sono uno sterzo più diretto con conseguente miglior feeling di guida ed una leggera riduzione del sottosterzo. Se la lower arm bar è invece posta sul retrotreno, si ottiene un lieve aumento del sottosterzo.
In ogni caso, l’aggiunta di lower arm bar sull’avantreno o sul retrotreno porta il veicolo ad avere un comportamento più agile e reattivo, ma anche più costante quando ci si avvicina alle condizioni di tenuta limite.
Le barre duomi (strut bar), cioè gli elementi di irrigidimento trasversali posti sui duomi delle sospensioni, producono effetti equivalenti, con la differenza principale che esse lavorano fondamentalmente a trazione, mentre le lower arm bar sono sollecitate maggiormente a compressione.

Barre duomi e lower arm bar apportano un effettivo miglioramento alla dinamica di un autoveicolo?

Quelli sopra citati sono gli effetti teoricamente ottenibili introducendo elementi di irrigidimento trasversali nella scocca di un veicolo. Nella pratica, occorre considerare l’entità i tali effetti e soprattutto la loro percepibilità da parte del guidatore.
In primo luogo, considerando che gli autoveicoli di ultima generazione sono caratterizzati da scocche con elevata rigidezza, l’inserimento di un ulteriore elemento di irrigidimento potrebbe non apportare miglioramenti sostanziali o comunque non percepibili da un comune guidatore.
In secondo luogo, non bisogna dimenticare che tra l’elemento di irrigidimento e la ruota ci sono due componenti le cui caratteristiche risultano importanti per garantire il corretto assetto dello pneumatico: le boccole ed il cuscinetto ruota. Nello specifico, nella deformazione dei punti di attacco delle sospensioni alla scocca, boccole ed elemento di irrigidimento (strut o lower arm bar) si comportano come molle in serie. Maggiore è la cedevolezza delle boccole e minore sarà l’effetto sortito dall’installazione di una barra duomi o di una lower arm bar (fig. 10).

Fig. 10 – Il grafico mostra l’effetto di un elemento di irrigidimento trasversale al variare della rigidezza delle boccole. Si noti come l’effetto di irrigidimento diminuisce al ridursi della rigidezza delle boccole.

In sintesi, possiamo dire che irrigidire la scocca con elementi trasversali (barre duomi o lower arm bar) apporta miglioramenti all’handling del veicolo, ma tali effetti sono tanto meno percepibili quanto più è rigido il telaio di base e quanto più sono cedevoli le boccole delle sospensioni.

Riferimenti:

[1] G.Belingardi, M. Avalle, “Structural and dynamic problems in car body design”.

[2] O. Danielsson, A. Gonzalez Cocana, “Influence of Body Stiffness on Vehicle Dynamics Characteristics in Passenger Cars”.