Il carico aerodinamico sulle masse non sospese. Una soluzione innovativa consente di applicare la forza aerodinamica di un profilo alare direttamente alle masse non sospese: se opportunamente sviluppata, i possibili benefici sarebbero tantissimi, ma quali sono le difficoltà?

DOVE SI APPLICA LA FORZA AERODINAMICA E PERCHE': le appendici aerodinamiche, di qualsiasi natura esse siano (profili alari, deflettori, diffusori ecc.), sono utilizzate nei veicoli super sportivi principalmente per incrementare la tenuta di strada alle alte velocità, sfruttando la deportanza, cioè la forza verticale verso il basso che aumenta il carico sullo pneumatico. Tali appendici sono applicate al corpo vettura, cioè la massa sospesa, e mai direttamente alla massa non sospesa del veicolo (ovvero la ruota e tutto ciò che è collegato direttamente ad essa), perché? D’altronde l’effetto utile di tali appendici non è in realtà quello di aumentare la forza verticale agente sullo pneumatico? La ragione della scelta è dovuta prevalentemente dettata da ragioni storiche e da ragioni di tipo tecnico, vediamole nel dettaglio nei prossimi due capitoli.

IL DIVIETO CHE FU IMPOSTO DALLA FIA: i primi esperimenti condotti sui profili alari furono introdotti nel 1968 in Formula 1, dando risultati incredibili, in termini di aumento delle prestazioni e quindi di miglioramento del tempo sul giro. Le soluzioni svariavano incredibilmente, da profili alari rovesciati installati su supporti fissi, fino a ventole per generare deportanza nel sottoscocca. Agli esordi di questa tecnologia era piuttosto diffusa l’applicazione diretta sulle ruote, by-passando cioè la cassa della vettura, come dimostrano le immagini della Lotus – Ford 49B che portò alla vittoria del campionato Graham Hill nel 1968. Ma fu proprio in quei primi anni, che si introdussero tantissime regolamentazioni sui profili alari e sui dispositivi aerodinamici, al fine di garantire la sicurezza dei piloti; regole che soffocarono sul nascere le idee e le genialità dei progettisti, che videro nell’aerodinamica tantissime possibilità per incrementare la tenuta di strada delle loro creazioni.

E proprio nel 1969, sempre per questioni di sicurezza, la FIA vietò l’applicazione del carico aerodinamico sulle masse non sospese e pose fine, forse in maniera prematura, a questa soluzione, ritenendola pericolosa. Come non essere d’accordo, in anni un cui non esistevano materiali ad alta resistenza, né modelli matematici per calcolare la resistenza alle sollecitazioni e quindi prevedere una rottura repentina dei dispositivi aerodinamici. Inoltre, era abbastanza comune che l’incidenza dei profili alari venisse comandata manualmente dal pilota all’interno dell’abitacolo, visto che in quegli anni l’automazione e gli azionamenti elettronici erano ancora fantascienza. La soluzione è quindi stata in un certo senso abbandonata (o meglio dimenticata) e mai più ripresa, nemmeno nella progettazione delle vetture stradali super sportive, che invece sarebbero il banco di prova ideale.

LE DIFFICOLTA’ TECNICHE: le problematiche tecniche che impediscono una facile applicazione diretta del carico aerodinamico alle ruote sono molteplici. In primis la difficoltà di ancorare in modo opportuno i profili alari su una struttura, quella dei portamozzi, troppo piccola per garantire un supporto affidabile, non abbastanza resistente alle alte sollecitazioni a cui sono sottoposte tali parti aerodinamiche, nonché collocata in una posizione critica e scomoda (interna al cerchio della ruota). Inoltre un vincolo rigido al portamozzo crea l’ulteriore inconveniente di rendere sensibile il profilo alare a qualsiasi movimento della ruota oltre a quello verticale, come le variazioni di campanatura o di convergenza.

L’INVENZIONE: un recente studio del Politecnico di Milano, che vede inventori l’Ing. Gianluca Covini e il Prof. Ing. Gianpiero Mastinu, entrambi collaboratori di Auto Tecnica, introduce un nuovo sistema articolato, che consente di applicare la forza aerodinamica, generata da un profilo alare o da una appendice qualsiasi, direttamente alla massa non sospesa, senza causare problemi strutturali ed evitando che il profilo venga influenzato dagli angoli caratteristici delle ruote. Inoltre, il sistema consente di variare la percentuale di carico che interessa le masse non sospese, da 0 fino al 100%, in modo statico o dinamico.

COME FUNZIONA: riferendosi alla figura, nella quale la sospensione è schematizzata come un singolo braccio (A), l’invenzione permette di collegare qualsiasi tipo di appendice aerodinamica sia alla massa sospesa che a quella non sospesa, tramite un sistema articolato; questo sistema include una leva (B) che si muove rigidamente con (A) ed è infulcrata nella cerniera #1 alla massa sospesa, ed un sistema di trasmissione che collega tale leva all’appendice aerodinamica. La forza verticale diretta verso il basso (chiamata deportanza) generata dall’appendice aerodinamica, è applicata all’estremità dell’elemento di trasmissione rigido (C+D), che è invece infulcrato nella cerniera #2. A seconda della posizione della cerniera #2 rispetto, cioè a seconda che il tratto C sia maggiore minore o uguale al tratto D, la massa sospesa sarà interessata da una quantità percentuale variabile di deportanza, da 0 a 100 per cento della deportanza totale generata dall’appendice aerodinamica.

Se C=D (quindi rapporto di leva R=1) allora la forza aerodinamica che interessa il telaio (cioè la massa sospesa) sarà pari a zero. Più il braccio di leva C è ridotto rispetto a D e più il telaio sarà interessato dalla forza generata dal profilo alare. Questa variazione del rapporto di leva può essere fatta anche in movimento tramite un attuatore.

Nelle figura seguente è visibile lo schema delle forze e delle reazioni vincolari, supponendo per semplicità un carico verticale sul singolo profilo aerodinamico pari a 1000N. Per scopi esemplificativi si trascura la forza di gravità e l’elemento elastico di sospensione è posto a metà del braccio della sospensione. Il rapporto di leva R è pari ad 1 e tutta la deportanza aerodinamica viene scaricata interamente sulla ruota: infatti la somma delle reazioni vincolari verticali sui perni fissi al telaio si controbilanciano, portando ad una risultante nulla sulla massa sospesa del veicolo (occorre considerare che il momento risultante viene controbilanciato dall’altra ruota dello stesso asse).

ESEMPIO DI APPLICAZIONE: Nelle figura seguente vi è un esempio di applicazione del sistema alla parte posteriore di una vettura sportiva dotata di sospensioni a quadrilatero deformabile. Nell’esempio sono raffigurati due profili alari indipendenti per ogni ruota posteriore. I profili illustrati hanno anche la possibilità di variare l’incidenza tramite un attuatore, posto subito dietro al supporto.

Riferendosi alla figura, il braccio superiore della sospensione a quadrilatero deformabile svolge le funzioni del braccio (A) sopra descritto con riferimento agli ed il collegamento tra questo ed il corrispondente braccio (B) è garantito da un giunto, in particolare un giunto tubolare che è solidale a rotazione sia con il braccio della sospensione che con il braccio (A). La cerniera fissa #1, che costituisce il fulcro della leva , è composta dal perno di rotazione della sospensione, comprendente tre boccole che abbracciano il giunto tubolare e lo fissano alla massa sospesa del telaio, lasciandolo libero di ruotare rispetto a quest’ultimo. All’interno dell’asta che realizza la leva C+D possono essere previsti diversi fori nei quali viene alternativamente alloggiato un corrispondente perno solidale alla massa sospesa del telaio, così da realizzare la cerniera#2. Cambiando la posizione del perno nei fori cambia il rapporto R tra le lunghezze dei bracci C e D, quindi cambia la percentuale di forza aerodinamica che si vuole trasferire alla cassa del veicolo.

Preferibilmente, può essere previsto un organo di comando, ad esempio un attuatore pneumatico, idraulico o meccanico preposto a spostare il perno, in funzione di una logica dettata da una centralina elettronica. In questo modo la posizione del perno, varia all’interno della sede asolata, realizzando diversi rapporti di leva R.

La figure mostrano la vista esterna dell’applicazione; una corretta sagomatura della carrozzeria dovrà prevedere il movimento relativo dei supporti delle appendici aerodinamiche rispetto alla massa sospesa.

QUALI SONO I VANTAGGI: applicare il carico aerodinamico sulle masse non sospese permette di ottenere molti vantaggi, che diventano sempre più evidenti con l’aumentare della velocità di marcia.

• OTTIMIZZAZIONE SOSPENSIONI

La parte sospesa dell’auto non viene influenzata dal carico aerodinamico, non subisce pertanto abbassamenti verticali o altri movimenti, anche ad elevate velocità alle quali si possono generare grandi forze dirette verso il basso (deportanze).

Questo vantaggio non obbliga il progettista all’irrigidimento degli elementi elastici delle sospensioni per contrastare l’abbassamento della scocca alle alte velocità; tale abbassamento non solo può non garantire una regolare marcia del veicolo avvicinando eccessivamente l’auto al terreno, ma soprattutto causa una modifica degli angoli caratteristici delle ruote, essendo questi strettamente collegati alla corsa verticale della ruota rispetto al telaio. L’irrigidimento delle sospensioni crea inoltre problemi in termini di discomfort e di feeling del guidatore.. Con questa soluzione i parametri delle sospensioni possono essere ottimizzati trascurando in larga misura l’influenza della forza aerodinamica verticale, a vantaggio della tenuta di strada e del comfort.

• DIMINUZIONE TRASFERIMENTO DI CARICO

La possibilità di diversificare la deportanza agente su ogni singola ruota consente di contrastare i trasferimenti di carico verticale sugli pneumatici.

Un controllo elettronico o meccanico agisce ad esempio modificando l’angolo di incidenza del singolo profilo, in modo da sfruttare al meglio la deportanza totale disponibile, che altro non è che una forza esterna che agisce sul sistema “veicolo”. Infatti in questo modo è possibile contrastare e addirittura annullare i trasferimenti di carico trasversali (fig. 2), migliorando sensibilmente la tenuta di strada e la trazione del veicolo, visto che gli pneumatici hanno un comportamento non lineare nei confronti della forza verticale. (Più vengono caricati verticalmente, e meno in termini relativi riescono a garantire forza laterale e longitudinale). Se si annullasse il trasferimento di carico sull’asse, si stima a livello teorico un aumento della tenuta di strada laterale che arriva fino al 10% in più.

• DIMINUZIONE DELLA DEVIAZIONE STANDARD VERICALE

Tramite un controllo elettrico, si potrebbe ridurre gli scuotimenti della ruota in verticale, dovuti all’irregolarità del fondo stradale, con un vantaggio enorme in termini di tenuta di strada. E’ infatti noto che la deviazione standard della forza verticale che agisce al contatto ruota-strada, è inversamente proporzionale alla tenuta di strada del veicolo (road holding), vista la non linearità di comportamento dello pneumatico. Il controllo elettronico, agirebbe in continuo sull’incidenza del profilo, constrastando in ogni istante il movimento verticale della ruota.

• VARIAZIONE ASSETTO IN MARCIA

Modificando un rapporto di leva del sistema articolato, in maniera meccanica o tramite un controllo elettronico con attuatori idraulici / pneumatici, staticamente o durante la marcia del veicolo, si può variare la percentuale di carico aerodinamico verticale che interessa le masse sospese e quindi l’altezza del telaio della vettura quando è in velocità. Questa modifica richiede un basso contributo energetico e non varia la forza verticale che agisce sugli pneumatici.

• SVINCOLO DEI PROFILI ANTERIORI

Quando un profilo o un’appendice aerodinamica di un auto lavora molto vicino al suolo, vi è la possibilità che il beccheggio della cassa possa causare variazioni repentine dell’intensità della deportanza generata. Questo effetto può portare a problemi di cattivo handling e una perdita di confidenza da parte del guidatore. Un modo per cercare di risolvere questo problema è quello di irrigidire le sospensioni, riducendo così la deflessione per un dato carico (aerodinamico o meccanico), ma questo crea gli svantaggi già descritti, in termini di mancata ottimizzazione delle sospensioni. L’applicazione del carico aerodinamico alla massa non sospesa consente invece di rendere indipendenti i profili anteriori dai carichi e dai moti della cassa (rollio, beccheggio e moto verticale), eliminando tale problema, senza ricorrere ad un irrigidimento degli elementi elastici.

SVANTAGGI: gli svantaggi di questa applicazione possono essere così riassunti:

1) aumento della massa non sospesa. Il valore di massa non sospesa è un parametro determinante per il controllo delle variazioni di carico dello pneumatico, dovute all’irregolarità stradale. Un basso valore di massa significa meno inerzia e quindi oscillazioni più contenute della forza verticale agente sullo pneumatico. L’aggiunta dei componenti del dispositivo descritto, causano un aumento della massa non sospesa; si stima che tale aumento rimanga comunque al di sotto del 10%, a seconda dei materiali utilizzati.

2) ampiezze e frequenze di oscillazione. Il profilo aerodinamico subirà ampiezza di oscillazione più elevate e a frequenze maggiori (tipicamente 10hz) rispetto all’applicazione convenzionale: queste vibrazioni più intense potrebbero portare a problemi di tipo aerodinamico.

3) complessità e numero aggiuntivo di componenti.

CONCLUSIONI

La possibilità di applicare le forze aerodinamiche direttamente alle masse non sospese apre la strada verso innumerevoli sviluppi interessanti, ciascuno i quali meriterebbe un approfondimento a parte, tramite studi con calcoli CFD (Computational Fluid Dynamics) oppure in galleria del vento. I recenti progressi nell’ambito dei controlli elettronici e delle ali mobili, rendono sicuramente più facile lo sviluppo di soluzioni atte a enfatizzare tale soluzione, con lo scopo di avere benefici notevoli in termini di tenuta di strada alle alte velocità, argomento di enorme interesse e di grande attualità per quanto riguarda i veicoli super-sportivi. L’utilizzo dell’aerodinamica “attiva” nelle auto moderne è sempre più presente, basti pensare alla Pagani Huayra, debuttata nel 2011, che sfrutta un sistema elettronico per variare in maniera continua l’incidenza dei profili alari, anche se essi sono sempre collegati alla cassa vettura. Non è da escludere inoltre che il divieto della FIA, illustrato in precedenza, sia in qualche modo eliminato o modificato, basti pensare alle recenti liberalizzazioni sulle ali mobili in F1. Chiunque fosse interessato ad avviare uno studio più approfondito su questa soluzione, in ambito di tesi o semplicemente per interesse personale, può contattare la redazione di Auto Tecnica.