F1 – Parametri di assetto. Come vengono influenzati dalla variazione dell’altezza da terra? – PARTE 1

F1 – In questo articolo andremo ad analizzare quelli che sono i più comuni parametri di assetto che consentono di regolare una sospensione. Scopo della trattazione è andare ad individuare come l’altezza da terra influisca in modo considerevole sui parametri e sul comportamento poi di una monoposto di F1 . Con il cambio regolamentare avvenuto quest’anno per limitare gli effetti del “porpoising”, i vari team di F1 hanno dovuto rivedere i cinematismi delle sospensioni sia per esigenze aerodinamiche, sia per recuperare i valori degli angoli caratteristici delle sospensioni stesse.

Per facilitare la lettura divideremo l’analisi in due parti. In questo primo articolo faremo una breve introduzione ai più comuni parametri caratteristici. Nella seconda parte andremo invece a vedere in pratica la loro variazione con l’altezza da terra e a verificare i set-up prendendo gli esempi di scuderie di F1 quali Ferrari, RedBull e Mercedes.

Possiamo definire l’altezza da terra come la differenza fra la coordinata Z del punto a terra della ruota e quella del punto più basso della vettura solidale al telaio. Tale parametro riveste una importanza fondamentale, in quanto da esso dipendono sia gli effetti aerodinamici dovuti all’effetto suolo, sia la tendenza della vettura ad essere più o meno soggetta al fenomeno del rollio in curva.

L’assoluta rilevanza di questa grandezza rende pertanto necessario fissarne già in fase progettuale i valori presunti ottimali: in funzione di questi dati viene impostato in seguito il progetto della sospensione ed ultimata la messa a punto.

Gli angoli caratteristici, invece, che dobbiamo tenere in considerazione durante la definizione dell’assetto della monoposto sono 4: campanatura, convergenza, angolo di caster e angolo di King-Pin.

Angolo di camber

L’angolo di camber o campanatura è la misura dell’angolo compreso tra la verticale e l’asse di mezzeria del pneumatico. Si calcola guardando il veicolo frontalmente, quindi su una sezione parallela al paino YZ (considerando l’asse X come la direzione di marcia) come riportato in figura (immagini riprese dai miei appunti di Meccanica del Veicolo):

L’angolo di camber viene assunto convenzionalmente negativo quando i piani mediani delle due ruote di uno stesso asse convergono verso l’alto, nell’altro caso viene assunto positivo. In tutte le monoposto di F1 e altre formule viene adottato un valore negativo in quanto immaginando di avere lo pneumatico esterno in percorrenza di curva, la deformazione dei fianchi sotto l’azione di una spinta laterale, quale quella risultante dagli effetti della forza centrifuga, permette di aumentare la superficie di appoggio del battistrada rigido al suolo, elevando così il limite di aderenza dello pneumatico stesso.

Un valore negativo dell’angolo di camber, inoltre, consente di ridurre l’impronta a terra del battistrada nella condizione di marcia in rettilineo, con conseguente diminuzione della resistenza all’avanzamento. Per contro, non è possibile aumentare indefinitamente la negatività dell’angolo di camber, in quanto l’impronta a terra del pneumatico derivante risulterebbe tanto piccola da non reagire efficacemente a sollecitazioni trasversali anche modeste. Il pneumatico, durante la rotazione, sarebbe deformato a tal punto da causare il consumo irregolare del battistrada.

Si noti che la ruota dotata di camber negativo è soggetta ad un effetto autosterzante. Una situazione particolare può essere quella di una frenata al limite, con bloccaggio di una delle due ruote anteriori. In questo caso risulta difficile mantenere la traiettoria rettilinea.

Angolo di convergenza

E’ l’angolo formato dalla proiezione sul terreno del piano mediano della ruota con l’asse longitudinale della vettura. Tale valore è per definizione positivo quando le ruote tendono a convergere rispetto al senso di marcia del veicolo, negativo quando divergono:

Scopo della convergenza è compensare le deformazioni degli attacchi elastici dei bracci sospensione e, soprattutto, precaricare i pneumatici, conferendo agli stessi una piccola deriva preliminare anche nella marcia in rettilineo: ciò bilancia la deriva dovuta all’inclinazione delle ruote. Normalmente, le vetture a trazione posteriore presentano una convergenza positiva delle ruote posteriori, ovvero le ruote tendono a chiudere; anteriormente la convergenza può essere chiusa o aperta, a seconda che si voglia privilegiare il comportamento in frenata o il reinserimento in curva.

La regolazione della convergenza tiene conto del movimento di inflessione che si produce in seguito allo sforzo imposto dall’attrito delle gomme con il fondo stradale, dalle frenate, dalle accelerazioni. Lo sforzo più semplice si genera a causa dell’attrito dei pneumatici sul terreno e spinge indietro le ruote prive di trazione: in questo caso, l’angolo di convergenza deve essere regolato a seconda della mescola della gomma impiegata e della rugosità dell’asfalto.

Altra causa perturbante è lo sforzo che si produce nelle frenate: in tali situazioni, poiché il peso è concentrato all’interno del telaio, le ruote tendono ad aprirsi in ragione dell’intensità della frenatura. Situazione analoga si produce in accelerazione quando, considerando l’inerzia del veicolo, le ruote tendono a richiudersi: conseguentemente, i valori dell’angolo sopradescritto variano in funzione delle altezze e delle masse in gioco.

Angolo di caster

Rappresenta l’angolo d’inclinazione dell’asse di sterzo rispetto all’asse verticale, guardando il veicolo lateralmente. Può essere definito anche come angolo di incidenza. L’incidenza è dunque l’inclinazione dell’asse del perno a snodo, rispetto ad un piano verticale parallelo all’asse longitudinale di simmetria della vettura e passante per il centro ruota, come meglio visibile nella figura seguente:

Funzione dell’incidenza è, principalmente, favorire il ritorno alla direzione rettilinea da parte della ruota sterzata. Il valore dell’angolo di incidenza non deve essere eccessivo: infatti se lo stesso fosse troppo grande, il momento di ritorno risulterebbe elevato, ma lo sarebbe anche il momento da applicare allo sterzo per incrementare la deviazione angolare delle ruote al fine della sterzatura.

Vanno conciliate due diverse esigenze: efficace ritorno in dirittura e momento sterzante accettabile.

Una incidenza elevata ha un effetto stabilizzante sulla direzione di marcia ad elevate velocità, ma a velocità ridotte è invece meno utile.

Angolo di King-Pin

E’ l’angolo analogo al quello di Caster che si ottiene però osservando la vettura nel piano trasversale ZY. E’ quello formato quindi dall’asse del portamozzo, con l’asse verticale.

E’ anche detto inclinazione trasversale e serve principalmente per formare il cosiddetto braccio a terra trasversale Q.

Per ottenere una buona stabilità di guida è necessario che l’inclinazione laterale del perno di snodo sia tale da far coincidere il centro dell’area di impronta del pneumatico sul terreno con il punto di incontro dell’asse del perno di snodo, in modo da ridurre il più possibile il braccio a terra. La presenza di un elevato braccio a terra trasversale, infatti, può portare ad un aumento dello sforzo richiesto per sterzare e sensibili ritorni di coppia sullo sterzo.

Con l’inclinazione laterale del perno di snodo si ottiene che la ruota, durante la sterzata, tenda ad abbassarsi rispetto al perno di snodo. Siccome il terreno sul quale appoggia la ruota non può sprofondare sotto l’azione sterzante, saranno la sospensione e l’elemento elastico ad essere compressi creando così una reazione che facilita il ritorno delle ruote alla marcia rettilinea.

L’angolo di King-Pin ha effetti anche sulla campanatura: durante una sterzata, infatti, un alto valore di King-Pin può portare a una inclinazione verso l’esterno della parte superiore della ruota, andando così a modificare l’angolo di camber.

Altezza del centro di rollio

E’ importante conoscere l’altezza di tale centro poiché quando una qualsiasi vettura percorre una curva, questa è soggetta alla forza centrifuga. Con buona approssimazione possiamo supporre che questa sia applicata al baricentro della vettura. Il prodotto tra questa forza per la distanza da terra del baricentro produce un momento ribaltante centrifugo, che ha come effetto quello di andare a caricare le ruote esterne e scaricare quelle interne. Conseguenza di questo fenomeno è una rotazione del corpo della vettura, lungo il proprio asse longitudinale e rispetto al piano stradale, chiamata rollio; l’asse attorno al quale avviene tale rotazione è perciò detto asse di rollio. L’individuazione di tale asse, che consente di studiare il comportamento in curva della vettura. Quest’analisi oggi viene fatta quasi esclusivamente con analisi multi-body attraverso specifici programmi di simulazione.

Prima dell’avvento di questi programmi e dei sistemi CAD/CAE veniva effettuata una semplificazione schematizzando le sospensioni di ciascuna ruota con un cinematismo piano, tracciato proiettando il cinematismo spaziale di ciascuna sospensione su un piano verticale, perpendicolare all’asse longitudinale della vettura e passante per il centro ruota. Per ognuno dei cinematismi piani è possibile individuare il centro di rotazione della scocca rispetto al terreno secondo la sequenza seguente:

• individuazione del centro di rotazione della ruota rispetto al terreno: ovvero il punto di contatto con il piano stradale;
• individuazione del centro di rotazione della ruota rispetto alla scocca: per il teorema di Chasles, esso è il punto intersezione dei prolungamenti dei bracci della sospensione (CIR);
• il centro di rotazione della scocca rispetto al suolo si troverà sulla retta congiungente i due centri individuati nei punti precedenti (CR).

L’immagine seguente può aiutarci a capire quanto detto finora:

Intersecando le rette corrispondenti alla ruota anteriore sinistra ed alla ruota anteriore destra, si troverà il centro di rotazione anteriore CRa della scocca; intersecando le rette corrispondenti alla ruota posteriore sinistra ed alla ruota posteriore destra, si troverà il centro di rotazione posteriore CRp della scocca.

L’asse di rollio è individuato congiungendo i punti CRa e CRp, che prendono il nome di centri di rollio.

Lo studio dei punti CRa e CRp mostra come l’altezza del centro di rollio varia sensibilmente, rispetto al terreno ed al baricentro, in funzione delle variazioni di altezza da terra del veicolo.

Cambiando le altezze dei punti CRa e CRp, si modifica la distanza fra asse di rollio e baricentro, dunque varia la rigidezza equivalente al rollio della vettura.

Vedremo infatti nella seconda parte come nell’ambito del progetto cinematico si vadano a controllare le variazioni di altezza da terra del centro di rollio di ciascuna sospensione in funzione della variazione di altezza da terra della vettura, poiché avremo una variazione anche degli angoli caratteristici.

Sistemi Anti-Dive e Anti-Squat

Gli stessi concetti menzionati per il centro di rollio possono essere riportati anche immaginando di guardare la vettura lateralmente. In questo caso gioca un ruolo fondamentale l’angolo di beccheggio, ovvero la rotazione della scocca dovuta ai trasferimenti di carico causati alle accelerazioni e dalle frenate. Anche in questo caso dobbiamo effettuare una semplificazione considerando un cinematismo piano, tracciato proiettando il cinematismo spaziale di ciascuna sospensione su un piano verticale, perpendicolare all’asse trasversale della vettura e passante per il centro ruota. L’obiettivo ottimale sarebbe quello di diminuire il più possibile la rotazione della scocca durante le fasi di accelerazione e frenata, usando appunto dei sistemi anti-dive all’anteriore (frenata) e anti-squat al posteriore (accelerazione). Per fare questo bisogna adottare una configurazione specifica dei bracci sospensivi come mostrato nella figura seguente:

Nell’immagine viene preso in esame l’asse anteriore. Per il posteriore varranno le stesse considerazioni che andiamo a fare di seguito.

Usando il teorema di Chasles, il centro di istantanea rotazione della ruota si trova nell’intersezione dei prolungamenti dei bracci della sospensione visti lateralmente. Ora se il centro di gravità giace nella retta congiungente il punto di contatto con il terreno e il CIR parleremo di un anti-dive al 100% e quindi la vettura in frenata non tenderà ad abbassarsi. Un anti-dive e un anti-squat al massimo permettono di avere una vettura più stabile, con un’altezza da terra che rimane pressoché costante, migliorando le prestazioni in frenata e in fase di trazione. Soprattutto con monoposto ad effetto suolo che fanno lavorare molto in fondo, l’adozione di queste anti-geometrie può risultare determinante per la performance.

Alcuni rumors su una “fantomatica” sospensione anteriore attiva/semi-attiva portata da RedBull durante questo campionato, parlavano anche della particolare inclinazione dei bracci delle sospensioni per ricreare l’effetto appena descritto. Come abbiamo visto non si tratta di nessuna sospensione attiva, ma di un sistema già conosciuto e che è in uso anche da altri competitors.

Non è comunque oro tutto quello che luccica. Si può dimostrare infatti che nella pratica non conviene mai spingersi a valori prossimi al 100% per varie ragioni. La prima riguarda la guida: con una vettura che rimane livellata, il pilota può perdere sensibilità sia in fase di frenata che in fase di accelerazione, “sentendo” di meno la vettura poichè può fare affidamento solo sulle forze G. L’altra ragione è puramente meccanica, in quanto valori troppo elevati di anti-dive e anti-squat possono portare a un peggiore assorbimento delle asperità stradali da parte della sospensione, con la vettura che potrebbe anche saltellare pericolosamente. Inoltre la particolare inclinazione dei bracci può portare a rivedere tutti i parametri di assetto, in particolare l’angolo di caster che può arrivare ad assumere valori particolarmente sfavorevoli.

Per questa parte possiamo terminare qui. Nel prossimo articolo andremo a fare degli esempi pratici utilizzando i concetti appena introdotti, valutando il cambiamento dei vari parametri e dei set-up con la variazione dell’altezza da terra.