Sospensioni attive: cosa sono e come funzionano

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Lo scopo dell’articolo è quello di analizzare il funzionamento delle sospensioni attive, tecnologia non più esclusiva del mondo delle corse ma adoperata nella quasi totalità delle autovetture attualmente in commercio. Tale sistema consente il raggiungimento di più elevati indici di qualità nella guida e, soprattutto, nella sicurezza, mantenendo le gomme perpendicolari alla strada in curva e consentendo una migliore trazione ed un altrettanto migliore controllo. Capiremo cosa sono, come funzionano, le differenze che intercorrono con i normali sistemi (sospensioni passive), e quali sono i contesti di utilizzo. Modelleremo il sistema mediante differenti approcci (Newtoniano e Bond Graph), per poi passare alla rispettiva rappresentazione nello spazio di stato, ricavandone da qui la funzione di trasferimento. 

Introduzione

Il compito delle sospensioni in un qualsiasi veicolo, sia esso un’ automobile o un autocarro, è quello di isolarlo dalle irregolarità del terreno. Tale compito è però in contrasto con la guidabilità del veicolo stesso. Si prenda ad esempio un’autovettura le cui sospensioni siano particolarmente “morbide”; quest’ultime opponendo poca forza al movimento longitudinale si deformano molto velocemente, assorbendo qualsiasi asperità della strada. Sospensioni troppo “morbide”, quindi, migliorano il comfort in quanto si deformano molto rapidamente, ma rischiano di ridurre la tenuta di strada a causa delle ampie oscillazioni verticali del veicolo e delle conseguenti ampie fluttuazioni della forza di contatto tra pneumatico e strada. Al contrario irrigidendo eccessivamente le sospensioni, come in una macchina da Formula 1, si ha una vettura particolarmente prestante in termini di stabilità, data la migliore aderenza, ma l’elevato numero di sollecitazioni verticali fa si che le asperità del terreno non vengano assorbite dettandone un inutilizzo su strada normale e nella vita quotidiana. È chiaro come nelle competizioni sportive l’aspetto delle prestazioni in termini di assetto e stabilità venga chiaramente privilegiato rispetto al comfort di marcia del pilota. Utilizzare, ovviamente, una macchina di Formula 1 per fare la spesa è solo un paradosso, però ci dà l’idea di come, in definitiva, la scelta delle sospensioni sia una variabile fortemente caratterizzante in un’autovettura. Si vorrebbe simultaneamente che le sospensioni fossero “morbide” verso le asperità del terreno e “rigide” nei confronti di forze esterne e/o inerziali. Appare chiaro come siano due specifiche contrastanti. Una sintesi efficace si traduce pertanto nell’identificazione di un buon compromesso tra le due specifiche.

Prima di scendere nel dettaglio implementativo bisogna capire quali sono le forze in gioco sul sistema automobile. Nel momento in cui la macchina accelera, decelera, o percorre una curva, si generano sull'autovettura delle forze che inducono movimenti di pitch e roll (Figura 1.1) ai quali le sospensioni offrono poca resistenza e che influenzano negativamente la guida e il comfort dei passeggeri.

Notazione movimento veicolo

Figura 1.1: Notazione per le direzioni di movimento del veicolo.

Il problema del miglioramento del comfort di marcia viene valutato in termini di minimizzazione delle accelerazioni verticali della massa del veicolo. Il problema dell’handling (talvolta indicato come “controllo dell’assetto”) viene espresso sia con riferimento alla minimizzazione delle fluttuazioni della forza di contatto tra pneumatico e strada, che con l’obbiettivo di mantenere costante la quota rispetto al suolo delle masse sospese, a fronte delle forze, di varia natura (aerodinamica, trasferimenti di carico, etc.) che agiscono sulla carrozzeria in frenata, in accelerazione ed in curva.

A seconda della struttura che caratterizza le sospensioni si può introdurre la seguente classificazione:

  • Sospensioni passive;
  • Sospensioni semi-attive;
  • Sospensioni attive;

Le sospensioni passive (Figura 1.2) sono le più semplici ed economiche, e per questo sono quelle usate sulla quasi totalità delle vetture in commercio. Esse sono composte da una molla (K1) e da uno smorzatore viscoso (b1) i cui parametri sono fissi e prescelti dalle case costruttrici, le quali scelgono dei valori di compromesso che siano sufficientemente adeguati ad ogni situazione, considerando anche l’impronta sportiva o meno che si vuole dare al veicolo. Le prestazioni ottenibili con sospensioni passive sono limitate dalla semplicità dei dispositivi di attuazione e dall’insufficiente numero di gradi di libertà progettuali. In contesti “spinti”, come i veicoli sportivi o di alta gamma, le prestazioni fornite da sistemi passivi sono largamente insoddisfacenti, e in tali contesti si utilizzano difatti tipologie alternative di sospensioni: le sospensioni semi-attive e le sospensioni attive.

Schematizzazione topologia delle sospensioni.

Figura 1.2: Schematizzazione topologia delle sospensioni.

Le sospensioni semi-attive (Figura 1.2) sono composte, anch'esse, da un sistema molla-smorzatore posti in parallelo; esiste in questo caso un sistema di controllo in grado di variare opportunamente il parametro b1 (costante di smorzamento) dello smorzatore viscoso. [...]

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2 Comments

  1. Maurizio Maurizio 15 marzo 2016
  2. Andrea Fedolfi 10 luglio 2016

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