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Porsche 911 e il rollio

Premessa

 
Esaminiamo ora un’altra componente della dinamica di marcia della Porsche 911 dopo aver analizzato nei due articoli precedenti il beccheggio e l’imbardata.
 
Si tratta di prendere in considerazione il moto oscillatorio del corpo della vettura attorno all’asse longitudinale (figura 1), comunemente conosciuto come “rollio”.
 
Sono state inserite dodici semplici immagini che ci aiutano a capire le dinamiche coinvolte.
 
Questa volta i richiami alle leggi della fisica sono molto più semplici e non richiedono ragionamenti complessi, ma solo un po' di attenzione per visualizzare il comportamento della Porsche 911 in curva.
 
Ci concentriamo, dunque, soltanto sulla rotazione della scocca attorno all’asse longitudinale, quello che attraversa la vettura lungo il senso di marcia e attorno al quale si genera il rollio.
 
 
Il trasferimento di carico in curva
 
Contrariamente all’opinione corrente e alle cosiddette “chiacchiere da bar”, il trasferimento laterale di carico di una vettura in curva è legato unicamente, a parità di peso, a due soli parametri, che sono:
 
  • l’altezza del baricentro;
  • la larghezza della vettura.
 
Come possiamo vedere dalla figura 2, la forza centrifuga in curva applicata al baricentro della vettura ha un braccio rispetto al suolo.
 
Per effetto della resistenza allo strisciamento laterale (opposta prevalentemente dallo pneumatico esterno alla curva) si genera un momento di rotazione attorno al bordo esterno dello pneumatico stesso:
 
questo momento di rotazione cerca di far ruotare il corpo della vettura e di provocarne il ribaltamento.
 
Al momento di rotazione si oppone il momento resistente, determinato dal peso della vettura concentrato nel suo baricentro, moltiplicato per la distanza del baricentro dalla mezzeria dello pneumatico esterno alla curva, che equivale all'incirca alla metà della carreggiata della vettura.
 
Appare evidente che, in linea teorica, il ribaltamento laterale avviene quando il momento di rotazione generato dalla forza centrifuga supera il momento resistente, che è proporzionale al peso della vettura e alla sua larghezza.
 
Se ne deduce per esempio che, se la vettura avesse un carico pesante sul tetto (figura 3), il suo baricentro risulterebbe spostato più in alto e favorirebbe il ribaltamento.
 
Per contro, se la vettura fosse dotata di un assetto fortemente ribassato, allora, a parità di forza centrifuga, il braccio di leva rispetto al suolo sarebbe più piccolo e conseguentemente si ridurrebbe il rischio di ribaltamento (a parità di altre condizioni).
 
Cosa si fa allora per migliorare le condizioni del trasferimento laterale di carico in curva?
 
Si può agire sull’altezza del baricentro da terra (figura 4) riducendo il braccio H della forza centrifuga e ampliando la carreggiata, cioè aumentando il braccio di leva C/2 del peso che tiene la vettura a terra (figure 5 e 6).
 
Ad esempio, sulla Porsche 911 i progettisti - adottando il motore boxer e il carter secco - hanno provveduto ad abbassare il più possibile il baricentro per favorire la tenuta in curva, oltre ovviamente al posizionamento molto basso dei sedili e dei passeggeri.
 
 
La tenuta laterale dello pneumatico
 
Le caratteristiche tecniche dello pneumatico (in particolare la sua aderenza laterale rispetto alla superficie stradale) giocano un ruolo fondamentale sul comportamento della vettura in curva.
 
Se l’aderenza è insufficiente a contrastare la forza centrifuga, la vettura, oltre ad inclinarsi verso l’esterno della curva, inizia a scivolare lateralmente e va in derapata.
 
Quando il pneumatico è sollecitato lateralmente in curva (con il giusto carico verticale e il giusto rapporto tra larghezza e altezza, per esempio 205/55) segue una direzione leggermente deviata rispetto a quella che verrebbe percorsa dalla sua circonferenza perpendicolare all’asse di rotazione.
 
Questo “angolo deviato” prende il nome di “angolo di deriva(figura 7).
 
Ne consegue che la ruota percorre una traiettoria effettiva diversa da quella impostata dal volante e la torsione dello pneumatico (prodotta dalla forza centrifuga che agisce sulla vettura) genera una reazione opposta da parte dello pneumatico che cerca di ritornare alla sua sagoma naturale.
 
Da qui nasce la spinta laterale che serve alla vettura per cambiare direzione, cioè percorrere una curva.
 
 
La sospensione anteriore
 
Uno dei principali obiettivi nella progettazione delle sospensioni è quello di ottenere in curva un’efficace aderenza laterale dello pneumatico rispetto alla superficie stradale.
 
Costruttivamente lo pneumatico è concepito per funzionare in posizione ortogonale rispetto alla superficie di appoggio, come nella marcia in rettilineo.
 
 È ovvio che il progettista delle sospensioni dovrà fare in modo che gli pneumatici si trovino il più possibile in posizione ortogonale rispetto al terreno, anche quando la vettura percorre una curva.
 
Ciò è ugualmente valido sia per le ruote anteriori che per quelle posteriori, ma qui ci dedicheremo in particolare a sviluppare in dettaglio un’analisi ragionata delle caratteristiche della sospensione anteriore, mirate a realizzare il meglio possibile la verticalità dello pneumatico in curva.
 
La figura 8 riproduce parzialmente l’immagine della figura 1 ed evidenzia chiaramente come, in condizioni di stress del telaio della vettura e della sospensione, l’asse geometrico della ruota anteriore esterna subisca un’angolazione “positiva” del camber (campanatura), cioè tenda a inclinarsi verso l’esterno.
 
Ciò deforma l’impronta a terra dello pneumatico e ne riduce l’angolo di deriva, con la conseguenza che il "grip" laterale è inferiore a quello che si otterrebbe se, a parità di condizioni, lo pneumatico fosse prossimo alla posizione verticale.
 
Nel porre rimedio a questo svantaggio, la geometria e la taratura della sospensione devono tener conto di parecchi altri fattori, privilegiandone alcuni, anche a scapito di altri.  
 
 
La sospensione anteriore della Porsche 911
 
Come architettura della sospensione anteriore la Porsche 911 adotta lo schema Mac Phearson (figura 9) con barre di torsione longitudinali invece della molla elicoidale normalmente impiegata nelle comuni applicazioni.
 
Questo schema di sospensione è abbastanza semplice, leggero ed economico, in quanto non richiede ulteriori “telaietti” e staffe di ancoraggio per i bracci oscillanti (che aggiungerebbero ulteriore peso).
 
Inoltre, questo chema ha valide caratteristiche cinematiche, oltre al fatto che aumenta il camber positivo (sommità dello pneumatico inclinata in fuori) quando la sospensione sale rispetto alla carrozzeria (ovvero la carrozzeria si adagia sulla ruota).
 
Nella figura 10 vediamo la sospensione Mac Phearson soggetta al trasferimento di carico in curva, possiamo quindi renderci conto di come la sua cinematica (cioè la sua configurazione geometrica mobile) reagisca alle sollecitazioni dinamiche contrastando la rotazione del corpo vettura attorno all’asse longitudinale.
 
Per ovviare all’eccessiva inclinazione laterale delle ruote anteriori in curva - legata alla natura della sospensione Mac Phearson - i costruttori prescrivono generalmente una taratura della geometria della sospensione tale da ottenere un camber leggermente negativo.
 
In questo modo, quando la vettura affronta una curva, la ruota salendo “spancia” e viene a trovarsi in posizione pressoché ortogonale rispetto al terreno, condizione che le permette di offrire un "grip" laterale ottimale.
 
Ovviamente, questo camber negativo dev’essere piccolo, altrimenti durante la marcia in rettilineo lo pneumatico risulterebbe inclinato e appoggiato sulla sola spalla interna:
 
ciò pregiudicherebbe la stabilità della vettura.
 
La Porsche 911 ha di norma una taratura “0” del camber anteriore, in quanto la rigidità delle sospensioni non consente comunque molta escursione alla ruota e ne limita l’angolazione in curva.
 
Un altro rimedio comunemente adottato sulle vetture da competizione è quello di rinforzare le sospensioni con molle più rigide oltre (oppure in alternativa) ad ammortizzatori più duri, in modo da non permettere una grande escursione della ruota rispetto alla carrozzeria.
 
Ovviamente, questa soluzione che imita un go-kart rende la vettura estremamente disagevole e dura di sospensioni nel normale utilizzo stradale.
 
 
Le barre di rollio
 
La logica di funzionamento delle barre di rollio (che più correttamente dovrebbero chiamarsi “barre di torsione antirollio”) ha spesso generato interpretazioni errate da parte di chi volesse variarne le caratteristiche per ottenere effetti particolari.
 
Il problema è stato per lo più affrontato, anche da parte dei costruttori, mediante prove puramente empiriche, e soltanto a posteriori è stato possibile elaborare una vera teoria.
 
La prima cosa da smitizzare (è una realtà fisica imprescindibile, non un parere) è la convinzione che, a parità di peso, altezza della vettura e sospensioni, si possa modificare con le sole barre di torsione il trasferimento di carico in curva.
 
Questo non è vero, perché il trasferimento di carico è legato unicamente ai due fattori che lo governano:
 
  • l’ampiezza della carreggiata;
  • l’altezza del baricentro dal suolo!
 
Le barre di rollio modificano solo il posizionamento della ruota rispetto al terreno per effetto delle caratteristiche cinematiche della sospensione.
 
Non dimentichiamo che la barra di torsione interviene solo quando esiste un movimento asincrono (o asimmetrico) fra le sospensioni sui due lati della vettura.
 
Le barre di torsione limitano il rollio del corpo della vettura in curva, cioè trattengono la sagoma della carrozzeria in posizione più vicina alla verticale di quanto non avverrebbe senza di esse (a parità di sospensioni, peso della vettura, raggio della curva ecc.).
 
Questa è una condizione percepibile anche visivamente da parte di un osservatore esterno e ben avvertibile dai passeggeri a causa dell'attenuazione dell’oscillazione della scocca che genera stanchezza oppure, in certi casi, un senso di nausea.
 
È anche vero che nella marcia rettilinea si possono verificare delle interazioni fra le ruote di uno stesso asse a causa della loro interconnessione tramite la barra di torsione antirollio.
 
In particolare, se una ruota su un solo lato della vettura viene sollecitata perché transita su un dosso o una cavità del manto stradale, la sua escursione per assorbire l’effetto dell’asperità si ripercuote in parte sulla sospensione del lato opposto.
 
Se, invece, gli avvallamenti e le sporgenze del manto stradale sollecitano ugualmente entrambe le sospensioni dello stesso asse, le barre di torsione antirollio non intervengono in alcun modo e l’assorbimento delle asperità del suolo è affidato unicamente alle molle e agli ammortizzatori.
 
L’influenza della barra di torsione sulla ruota opposta a quella sollecitata è l’aspetto negativo del sistema descritto.
 
Non va dimenticato, però, che il maggior comfort che si può ottenere con sospensioni più morbide abbinate alle barre di torsione è ben più significativo del modesto disagio (per di più non molto frequente) che si manifesta quando a causa di un’asperità localizzata lateralmente rispetto alla mezzeria della vettura viene sollecitata una sola ruota di uno stesso asse.
 
Il vero vantaggio offerto dalla barra di torsione consiste nel fatto di generare due modalità di reazione delle sospensioni, come se coesistessero due diverse tarature:
 
  • una più morbida per la marcia in rettilineo;
  • l’altra più rigida per affrontare le curve.
 
Questo è il significato della barra di torsione!
 
 
 
Barre di rollio anteriore e posteriore
 
Tanto i costruttori, quanto i preparatori di vetture da rally, possono “giocare” con tarature differenziate della rigidità delle barre di rollio sui due assi anteriore e posteriore per ottenere effetti particolari e quindi comportamenti stradali con reazioni più o meno spiccate, a seconda delle condizioni di marcia del veicolo e in relazione all’uso specifico a cui esso è destinato, cercando di coniugare comfort e tenuta di strada.
 
Difficile capacitarsi degli effetti reali delle tarature differenziate.
 
Infatti, è istintivo pensare che, in presenza di rollii, il corpo della vettura possa ruotare solo “in asse” con la direzione di marcia.
 
Di conseguenza, si pensa che, se le due barre di rollio anteriore e posteriore avessero rigidità diversa, il rollio della vettura sarebbe di fatto governato dalla barra più rigida, mentre l'influenza dell'altra sarebbe marginale.
 
In realtà, solo se le due barre sono pressoché identiche, la vettura assumerà un rollio in asse con la strada.
 
Al contrario, se la rigidità delle due barre è diversa, si manifesteranno inevitabilmente effetti più complessi.
 
Nella parte inferiore della figura 11 (una Porsche 911 che affronta un tornante sollecitando fortemente la sospensione anteriore esterna alla curva) è riportato uno schema elementare che visualizza come si posizionano gli elementi della scocca rispetto al suolo.
 
Se ci sforziamo di immedesimarci nella situazione in cui si trova la vettura possiamo facilmente intuire che l’altezza dal suolo della sua parte anteriore è minore di quella della parte posteriore:
 
questo significa che la vettura è inclinata “di spigolo”, sia lateralmente che in avanti.
 
In conclusione, una vettura con barre di torsione differenziate non manifesta un rollio “geometrico”, ma subisce invece due rotazioni contemporanee e sovrapposte:
 
un rollio e un beccheggio!
 
Se, nella medesima situazione e nella stessa curva, la stessa Porsche fosse dotata di una barra di torsione antirollio più rigida sulla parte anteriore, il corpo vettura si sarebbe inclinato di meno verso lo spigolo anteriore esterno e la parte posteriore interna si sarebbe di conseguenza alleggerita di meno, contribuendo in modo più efficace al "grip" laterale necessario per superare la curva.
 
In rettilineo, invece, avremmo la sospensione anteriore morbida come prima, ma molto più reattiva in presenza di sollecitazioni asimmetriche a causa della maggiore rigidità della barra di torsione antirollio.
 
In aggiunta, potrebbe poi verificarsi che la deriva degli pneumatici posteriori della vettura sia maggiore di quelli anteriori che ora hanno un posizionamento più favorevole rispetto al terreno in curva, di conseguenza ne risulterebbe accentuato l’effetto sovrasterzante.
 
Infine, la figura 12 mostra la barra di rollio nella fase attiva del suo funzionamento, cioè in torsione.
 
Nella sezione A è rappresentata schematicamente la barra a riposo a forma di “C” e libera di ruotare attorno ai suoi cardini, incernierati alla scocca della vettura.
 
Nelle due immagini B e C vediamo come una sollecitazione asimmetrica (cioè rivolta in direzioni opposte) sui due bracci della barra ne provochi la torsione.
 
La barra reagisce con la sua naturale tendenza a recuperare la sua sagoma originale.
 
La sezione e la lunghezza della barra ne determinano la rigidità e quindi la resistenza alla torsione.
 
  
Conclusione
 
Il compito principale delle barre è di irrigidire le sospensioni solo in curva, mantenendo il più possibile inalterata la verticalità dello pneumatico rispetto alla superficie stradale.
 
Un diverso angolo di deriva degli pneumatici posteriori rispetto a quelli anteriori può esaltare o attenuare il comportamento sottosterzante o sovrasterzante della vettura, a seconda delle diverse sollecitazioni e delle diverse condizioni di marcia.
 
Una fondamentale caratteristica dell’assetto posteriore della Porsche 911 (oltre al peso a sbalzo) è il baricentro molto basso del motore boxer con la drastica limitazione del trasferimento di carico in curva che ne consegue.
 
Non va dimenticato che sulla parte anteriore si fa sentire inevitabilmente l’effetto del serbatoio pieno o vuoto, cui corrisponde una variazione dell’altezza del baricentro e dell’inclinazione dell’asse di rollio.
 
L'esperienza accumulata sulla Porsche 911 in centinaia di competizioni vittoriose ha determinato un sofisticato proporzionamento delle barre antirollio che regalano alla vettura il suo leggendario comportamento in curva.
 
Alessandro Muscinelli
2 marzo 2011
 
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