F1 | Analisi Tecnica: Le sospensioni di una monoposto [Parte 1]

Le sospensioni sono presenti in tutti i veicoli. Andiamo a vedere insieme la loro funzione e i componenti, analizzando la particolare configurazione nelle monoposto di Formula 1. F1 Sospensioni Monoposto

 

F1 Sospensioni Monoposto
Credits: Volvo

Il sistema sospensivo è una componente fondamentale di numerosi veicoli, stradali e non. F1 Sospensioni Monoposto
Il loro scopo principale è quello di connettere la parte centrale di un veicolo (telaio) alle sue ruote. Il loro utilizzo è stato introdotto sulle automobili principalmente per motivi di comfort. Infatti, un collegamento rigido tra ruota e telaio portava le prime automobili ad essere estremamente scomode e soggette a rotture frequenti.

Nelle normali autovetture gli scopi principali delle sospensioni sono due:

  • Garantire un buon livello di comfort ai passeggeri;
  • Assicurare un buon comportamento dinamico (handling) del veicolo.

Il primo aspetto è quello che viene in mente subito quando si pensa alle sospensioni. Anche considerando una semplice bicicletta, ognuno di noi ha sperimentato la differenza tra un modello rigido e uno dotato di ammortizzatori.

Il secondo aspetto è meno intuitivo, ma non meno importante. Un’automobile con un buon comportamento dinamico è più semplice da controllare per il guidatore, e quindi più sicura. F1 Sospensioni Monoposto
Per handling si intende la capacità di una vettura di rispondere efficacemente ai trasferimenti di carico, ovvero i cambiamenti di distribuzione dei pesi sulle quattro ruote di un’automobile. Questo può essere dovuto a cause differenti come frenate, accelerazioni o curve. Le sospensioni si occupano, quindi, di controllare il comportamento della vetture in caso di rollio, beccheggio o imbardata.

rollio beccheggio imbardata
Assi di rollio, beccheggio e imbardata [Davide Galli per F1inGenerale]

La particolarità delle monoposto da Formula 1

Nelle monoposto da Formula 1 ovviamente il secondo aspetto è quello fondamentale. Il comfort, infatti, non è un elemento cardine, considerata anche la mancanza di ostacoli presenti invece in strada, come dossi, marciapiedi o buche.
È fondamentale, invece, che le monoposto siano sempre a contatto con il terreno con tutte le ruote, in modo da garantire il massimo grip possibile anche nel superamento dei cordoli. F1 Sospensioni Monoposto

Nel caso della Formula 1 (e di tutte le vetture con alto carico aerodinamico) entra però in gioco un terzo fattore. Esso viene chiamato “platform control”.
Alle alte velocità le monoposto vengono sottoposte a carichi verticali molto elevati (nell’ordine delle tonnellate): è importante, quindi, che le sospensioni “sostengano” la vettura, evitando che vada a schiacciarsi contro il terreno.
Questo aspetto è fondamentale in qualunque condizione: le Formula 1 hanno un’aerodinamica attentamente studiata, che però è molto sensibile alle variazioni di altezza da terra. Questo è quindi un parametro fondamentale da tenere in considerazione.

La struttura di una sospensione

Da cosa è formata una sospensione?
Nel caso più semplice è caratterizzata da due elementi fondamentali: una molla e un ammortizzatore.

Modello 1DOF
Modello semplificato di una sospensione

Nell’immagine soprastante è considerato un modello a un grado di libertà (proprietà dello pneumatico trascurate) di una sospensione. A destra si può notare la molla (con costante elastica K) e a sinistra l’ammortizzatore (con costante di smorzamento c).

Il comportamento di una molla è noto: sottoposta ad una forza si comprimerà elasticamente, accorciandosi. La forza necessaria per deformare la molla di una certa quantità dipende dalla rigidezza: maggiore sarà la rigidezza, maggiore sarà la forza necessaria per deformare la molla di una quantità fissata.
Applicando un sistema con una semplice molla ad un veicolo, quando esso incontrerà un ostacolo, la molla si comprimerà ed eliminerà tutti i problemi di un collegamento rigido. Ne sopraggiungerà, però un altro: la molla ci restituirà l’energia che abbiamo utilizzato per comprimerla, estendendosi verso l’alto. Si andrà quindi a creare un movimento oscillatorio indesiderato, che porterà a scomodità, difficoltà di controllo del veicolo e possibile distaccamento della ruota da terra (rimbalzo).

Per evitare questa situazione, si fa uso di un ammortizzatore. Ne esistono di diverse tipologie e i più diffusi sono quelli idraulici, ovvero che si basano su un liquido. Sono composti da un pistone che, per effettuare dei movimenti, è costretto a comprimere un liquido che ne rallenta lo spostamento. In questo modo, accoppiato con una molla, è in grado di ammortizzare e ridurre le oscillazioni della molla stessa, andando ad evitare le problematiche descritte precedentemente.

F1 Sospensioni Monoposto
Molla e ammortizzatore coassiali in una sospensione Toyota (tipologia MacPherson)

Gli elementi di una sospensione

Le sospensioni più comuni sulle autovetture sono di tipo MacPherson (immagine precedente). La motivazione è soprattutto una questione di costi.
Tuttavia, è più interessante analizzare la struttura a doppio quadrilatero (double wishbone) che ha un’impostazione molto simile alle sospensioni delle vetture da Formula 1.

Sospensione Double Wishbone
Sospensione Double Wishbone [Credits: Saturn – Edit F1inGenerale]
In questa sospensione possiamo distinguere quattro elementi principali:

  • Il triangolo superiore (in rosso): ha lo scopo di collegare la parte alta del mozzo (a sinistra) con il telaio;
  • Il triangolo inferiore (in verde): collega la parte inferiore del mozzo al telaio;
  • L’ammortizzatore (giallo e blu);
  • La molla elicoidale (nera) situata intorno all’ammortizzatore stesso.

Le automobili ad alte prestazioni utilizzano questa tipologia perché è quella che permette di ottenere il miglior comportamento dinamico del veicolo.

Push-rod e pull-rod

Le configurazioni push-rod e pull-rod sono due varianti utilizzate nelle monoposto di Formula 1.

Push-Rod e Pull-Rod
Confronto tra Push-Rod (a sinistra) e Pull-Rod (a destra) [Fonte: formula1-dictionary]
Si possono ancora notare i triangoli superiore e inferiore, ma è presente un collegamento ulteriore (suspension arm).
Se con un movimento verso l’alto della ruota questa asta aggiuntiva viene compressa siamo in presenza di una configurazione push-rod; se viene estesa, si tratta di una configurazione pull-rod. Le prestazioni delle due configurazioni sono abbastanza simili, ma le esigenze di montaggio e aerodinamiche guidano la scelta dei progettisti su una delle due soluzioni. Entrambe le ruote dello stesso asse devono presentare la stessa tipologia.

Si può notare la scomparsa del gruppo molla-ammortizzatore. L’ammortizzatore (damper) è, infatti, stato spostato all’interno della monoposto e la molla è stata sostituita con una barra di torsione (torsion bar – in giallo). La barra di torsione è un elemento metallico che esegue lo stesso lavoro di una molla elicoidale, ma invece di comprimersi e estendersi viene fatta ruotare intorno al proprio asse e applica una resistenza in funzione di forma e materiale.

Notiamo che tutti questi elementi sono collegati da un rocker di forma quasi triangolare. Il suo scopo è di trasmettere le forze agenti sulla ruota ai vari elementi.
Il rapporto tra movimento della ruota e compressione dei vari elementi può essere variato con l’adozione di un diverso rocker con distanze tra i punti differenti.

Sono presenti anche ulteriori elementi che analizzeremo più a fondo nella seconda parte.

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