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Articoli - Archivio

25/10/2012
TUTTA LA TRAZIONE CHE SERVE

DAL MOTORE ALLE RUOTE
Senza di lei non ci si muove, anche avendo i motori più potenti e le meccaniche più raffinate. Vediamo insieme cos’è la trazione e uno degli schemi più evoluti attualmente disponibile per i veicoli 4 x 4

Nicodemo Angì

TUTTO SI SVOLGE in quell’ovale nero, l’area di contatto fra le coperture e la strada, nel quale si scarica la coppia del motore e si genera la reazione del terreno. In effetti il terzo principio della dinamica, dicendoci che a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, ci informa del fatto che se un’automobile si muove in avanti, la Terra va... indietro!
Si tratta ovviamente di un discorso teorico: il nostro pianeta, avendo una massa incomparabilmente superiore a quella di qualsiasi veicolo, non si “accorge“ proprio della forza generata da un oggetto, per quanto grande e potente esso sia.
Al di là di queste estremizzazioni, il concetto da fissare bene è questo: la trazione di un veicolo si fonda sull’aderenza, ossia la capacità delle gomme (potrebbero essere ruote ferroviarie o cingoli, il discorso non cambierebbe) di trasmettere forze parallele al suolo con uno slittamento limitato o – meglio ancora – nullo. La caratterizzazione “parallele” è molto importante e ci fa capire che le forze perpendicolari (tipicamente il peso e il carico aerodinamico) interessano non molto, dato che potrebbero benissimo essere sostenute da blocchi di legno.
In realtà al pneumatico è richiesto anche un certo assorbimento delle asperità del terreno e in questo senso si può dire che esso partecipa al lavoro delle sospensioni ma non è questo il suo compito principale.

Si fa presto a dire: aderenza
L’aderenza dipende da diversi fattori, i più importanti dei quali sono le caratteristiche dei materiali in contatto (nel nostro caso le coperture e la strada) e il carico, ossia la forza che preme le gomme contro il suolo. Anche la temperatura di lavoro è molto importante.
Il carico di lavoro delle coperture è un elemento piuttosto critico perché varia continuamente in funzione del regime dinamico del veicolo, e provoca variazioni di assetto anche vistose: per convincersene basta pensare a come i veicoli si “accuccino” in fase di frenata per poi “impennarsi” in accelerazione. Per capire, almeno in prima approssimazione, il perché di questo comportamento occorre tener conto che le forze frenanti, così come le accelerazioni, risultano applicate nei punti di contatto gomma-suolo. L’inerzia del veicolo la si può invece immaginare applicata al baricentro del veicolo, sicuramente posto molto più in alto. Durante la frenata si genera quindi una coppia (i punti di applicazione delle forze sono distanti fra loro) che tende a far “ruotare” in avanti l’auto: muso giù, coda su. Un esempio può aiutare a capire: cosa succederebbe se qualcosa ci afferrasse per i piedi mentre corriamo? Cadremmo in avanti, mentre se qualcuno ci tirasse i piedi in avanti mentre siamo fermi cadremmo all’indietro: un veicolo non “cade” ma trasferisce carico verso la coda, come testimoniato dal suo “sedersi” sulle sospensioni posteriore.
È per questo che le auto sportive hanno assetti bassi (si limita l’altezza del baricentro) e rigidi, che limitano i trasferimenti di carico – e il conseguente beccheggio – durante le accelerazioni/frenate.
I nostri infaticabili pneumatici non devono però trasmettere soltanto le coppie motrici e frenanti, ma devono anche generare le forze laterali necessarie per permettere al veicolo di curvare. Supponiamo di girare lo sterzo durante la marcia rettilinea: le ruote anteriori non saranno più parallele alla direzione del movimento ma risulteranno angolate di “x” gradi. Questa incidenza genera una forza laterale che fa deviare il veicolo dalla sua traiettoria rettilinea e creerà – ancora – una coppia che inclinerà il veicolo lateralmente (rollio), seguendo un meccanismo del tutto simile a quello che creava il beccheggio. Anche in questo caso si avranno infatti due forze applicate in punti distinti: l’inerzia nel baricentro e la forza laterale nell’area di contatto pneumatico-strada.
Queste forze orizzontali – longitudinali e trasversali – variano continuamente secondo infinite combinazioni, per esempio in curva a velocità costante e moderata (quindi con poca resistenza aerodinamica e conseguente piccola richiesta di coppia motrice) si avranno quasi soltanto forze laterali. Basterà però una frenata per introdurre delle forze longitudinali: riuscirà la copertura a trasmettere anche queste sollecitazioni senza slittare?
Per analizzare i limiti complessivi di aderenza di una gomma si usa uno speciale grafico, l’ellisse di aderenza. Per costruirlo si prende un piano cartesiano, nel quale l’asse y – verticale - rappresenta le forze longitudinali Fl (accelerazione e frenata, con quest’ultima rappresentata con valori negativi) e l’asse x (orizzontale) sul quale si leggono le forze trasversali Ft che nascono nei cambi di direzione. L’ellisse è data dai punti che rappresentano le massime Fl e Ft che la copertura riesce a sopportare mantenendo un’aderenza sufficiente. Se ci fosse solo forza longitudinale essa sarebbe rappresentata da una freccia lungo l’asse verticale, mentre in presenza di una forza solo laterale il grafico visualizzerebbe soltanto una freccia orizzontale. Ognuna delle infinite combinazioni delle due forze è rappresentata da un punto sul piano e se questo punto cade all’interno dell’ellisse la copertura garantirà l’aderenza richiesta. Ricordando i discorsi precedenti possiamo pensare che questa ellisse diventi più grande all’aumentare del carico, dato che le forze che possono essere trasmesse aumentano quando il carico si incrementa.

 

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Appare quindi chiaro come non sia possibile pretendere grandi accelerazioni da una ruota che è impegnata a sterzare e viceversa. Una possibile soluzione sarebbe quella di ripartire gli sforzi di trazione fra tutte le coperture, in modo che ognuna di esse possa lavorare più facilmente nella nostra famosa ellisse.
Questa strategia è stata concepita e poi adottata già molti decenni fa, ma in tempi recenti ha conosciuto una vera e propria fioritura di soluzioni diverse, grazie ai progressi dell’elettronica.
La trazione integrale è infatti oggi attuabile anche con motori diversi, uno per assale, e non soltanto con la classica soluzione con due alberi di trasmissione e vari differenziali. Esempi diffusi di questo schema sono le Hybrid 4 di Peugeot, veicoli che aggiungono alla classica meccanica tutto-avanti un assale posteriore azionato da un motore elettrico.
Anche le implementazioni classiche, però, si sono avvalse massicciamente della versatilità e flessibilità consentite dall’uso di componenti meccanici controllati da centraline elettroniche.
È questo, per esempio, il caso del pianale integrale presentato da Jaguar per le sue XF e XJ Model Year 2013. il sistema è in grado di variare in maniera continua la ripartizione della coppia fra i due assali, grazie all’uso di un’evoluta unità di controllo, il Tccm (Transfer Case Control Module). Il Tccm controlla i livelli di aderenza e gli input del guidatore, ripartendo la coppia all’anteriore e al posteriore nel modo più appropriato, cercando di salvaguardare al meglio il feeling di guida che la trazione posteriore ha sempre donato alle Jaguar.

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