Corso di Sistemi di Trazione Lezione 19: Sterzatura cinematica e handling A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015 Argomenti • I problemi della guidabilità di un veicolo: – Sterzatura cinematica – Handling – Per veicoli a 2 e 4 ruote sterzanti • Prove di omologazione per veicoli • Prove di steering pad • Il colpo di sterzo Obiettivi della lezione • Inquadrare il problema della sterzatura dei veicoli: – per basse e alte velocità – per veicoli a 2 ruote sterzanti e a 4 ruote sterzanti – In funzione della deriva dei pneumatici, dell’angolo di assetto, del rollio • Analizzare la guidabilità di un veicolo e la conseguente “richiesta di comportamento” al guidatore I due “problemi” della guidabilità • La capacità di manovra: – rispetto degli ingombri – procedure di omologazione • L’inserimento in curva: – manegevolezza – stabilità – risposta Sterzatura cinematica Handling Sterzatura di un veicolo a due ruote sterzanti (2WS) a bassa velocità (sterzatura cinematica) VA VG G R VP Cosa succede a bassa velocità • I pneumatici: – hanno angoli di deriva trascurabili – effettuano movimento coincidente con la direzione del loro piano medio • Veicolo disposto con angolo di assetto β>0 tale che la sua parte anteriore è all’esterno della traiettoria descritta dal suo baricentro Sterzatura di un veicolo 2WS ad alta velocità (sterzatura dinamica) V A A VG G R FC P VP Cosa succede ad alta velocità • Deriva non più trascurabile • I pneumatici devono generare forze trasversali per bilanciare la forza centrifuga • Angolo di assetto β<0 opposto rispetto al caso di bassa velocità (stesso raggio della curva lungo cui si muove il veicolo) • Parte anteriore del veicolo interna rispetto alla traiettoria del baricentro Veicolo a 4 ruote sterzanti (4WS) • Nasce dalla necessità di superare i limiti imposti dalle 2 ruote sterzanti • Non è possibile superarli con i metodi convenzionali di intervento su sospensioni e pneumatici • Viene introdotto k=δP/δA • δP= angolo di sterzo posteriore • δA= angolo di sterzo anteriore Sterzatura 4WS a bassa velocità (sterzata in controfase) = angolo d'assetto VA ( per 2WS è >0 ) VG G VP R 4WS 2WS Sterzatura in controfase - bassa velocità k<0 e al limite =0 Cosa succede a bassa velocità (1/2) • Possibilità di trascurare angoli di deriva • Possibilità di ridurre il raggio minimo di sterzatura a parità di δA • Riduzione di δA consente riduzione ingombri vano passaruote con conseguenti maggiori spazi per organi meccanici del vano motore e sospensioni anteriori Cosa succede a bassa velocità (2/2) • k crescente → aumento ingombro ruote posteriori • Necessaria ottimizzazione k per ottenere riduzione raggio minimo di sterzatura senza incrementare eccessivamente i passaruota posteriori • β=0 al limite → direzione moto veicolo coincide con direzione velocità baricentro ed è tangente alla traiettoria Comportamento dinamico 4WS a alta velocità (sterzata in VA fase) = angolo d'assetto ( per 2WS è <0 ) VG G VP R 4WS Sterzatura in fase - alta velocità k>0 e al limite =0 2WS Cosa succede ad alta velocità • Deriva non più trascurabile • Riduzione angolo di assetto β come risultato della sterzatura in fase del retrotreno • k>0 • Si arriva al caso limite di β=0 Quali manovre rientrano nel campo di applicazione dei due problemi? • Le manovre a bassa velocità rientrano nel campo della sterzatura cinematica • Le manovre ad alta velocità nel campo di quella dinamica e quindi dell’Handling La sterzatura cinematica • Definizione della geometria dei meccanismi di sterzo • Determinazione degli ingombri in manovra per veicoli articolati e non • Omologazione dei veicoli Sistemi di sterzo O O Veicolo a carrello Autoveicolo generico Veicoli articolati e loro massime dimensioni max 4.00 m max 12.00 m max 12.00 m max 2.50 m max 15.50 m max 18.00 m max 18.00 m Designazione delle variabili di ingombro Semirimorchio LR Autosnodato L Autovettura L SPR SA P SP PR Autotreno LR PR SAR R SPR PR SAR G G SP Autoarticolato LR P AR<0 R SPR SA L P AR P SPR L SA AR PR SA G R SP R LR Sterzatura di un autoarticolato X R R L X X2 U O M O" X1 Sterzatura di un autotreno X X2 X3 X O X O' O" X1 Prova di omologazione: definizione della fascia di ingombro R max m12.50 R min m5.30 Esempio di test: il colpo di coda Fa Cod La definizione di handling (1/2) • La traduzione letterale è “maneggevolezza” • È il comportamento dinamico del veicolo • Insieme di criteri di valutazione di tutte le grandezze riguardanti sicurezza e “gradevolezza” della guida La definizione di handling (2/2) • Si misura quantificando: – – – – – – accelerazione centrifuga aY velocità di avanzamento del veicolo Vx angolo di assetto β velocità d’imbardata r angolo di rollio Φ angolo di sterzo δ (anteriore per 2WS, anteriore e posteriore per 4WS) – angolo di beccheggio θ La prova di steering pad • Manovra di tipo statico • Il veicolo si muove lungo cerchi concentrici – a velocità differenti – con raggi differenti • L’assetto del veicolo è costante e raggiunto tramite stati di equilibrio successivi (=manovra statica) • Misura, in funzione dell’accelerazione trasversale, (curve di sottosterzo) – angolo di sterzo – angolo di rollio – angolo di assetto Prove di steering pad a velocità medio-alte (1/2) • Veicolo sottosterzante: – Risposta stabile ad azione di sterzo – R costante → valore dell’angolo di sterzo δ necessario a percorrere la curva aumenta all’aumentare dell’accelerazione centrifuga aY – Il veicolo costringe il conducente a sterzare ulteriormente nel verso di percorrenza della curva per mantenere il veicolo su una traiettoria curvilinea di raggio R costante Prove di steering pad a velocità medio-alte (2/2) • Veicolo sovrasterzante: – Risposta instabile ad azione di sterzo – R diminuisce anche se l’angolo di sterzo δ necessario a percorrere la curva rimane costante – Il veicolo costringe il conducente a controsterzare per mantenere il veicolo su una traiettoria curvilinea di raggio R costante Curve di sottosterzo • Permettono di valutare il comportamento di una vettura • Richiedono prove di steering pad per la loro costruzione • Due modalità di costruzione: – Vetture dotate di apposita strumentazione – Simulazioni mediante software dedicati • Accelerazione trasversale in funzione di angolo del volante o angolo di rollio o angolo di assetto Curve di sottosterzo per un veicolo 2WS – δ/aY Andamento curve sottosterzo • Primo tratto rettilineo • Secondo tratto parabolico (accelerazioni trasversali elevate >0.4g) dovuto a: – Saturazione pneumatici – Rigidezze di deriva non lineari – Scorrezioni cinematiche ed elastiche delle sospensioni Primo tratto • Fornisce indicazione del grado di sottosterzo della vettura • All’aumentare della pendenza si ha a che fare con vetture sempre più sottosterzanti Secondo tratto • Fornisce indice della “facilità” di guida del veicolo • Saturazione molto brusca → necessità di far compiere al volante una rotazione molto ampia e inaspettata (rispetto alle condizioni di guida dell’istante immediatamente precedente) • Si misura la “sincerità” della vettura Curve di sottosterzo per un veicolo 2WS – Φ/aY e β/aY Aumento di carico (1/2) • Curva δ/aY: veicolo con 5 persone richiede δ poco minore del caso con 1 persona a bordo → aumento maggiore di tale differenza implica veicolo dal comportamento poco uniforme • Curva Φ/aY: veicolo con 5 persone richiede incremento rollio rispetto a 1 persona a bordo → prova di steering pad (quasi statica) implica deformazione lineare (non intervengono gli ammortizzatori) Aumento di carico (2/2) • Curva β/aY: aumento del carico porta angoli di assetto maggiori in valore assoluto → il baricentro del veicolo si sposta verso il posteriore, maggiore aderenza posteriore richiesta → i pneumatici richiedono angoli di deriva maggiori → il veicolo si dispone con angoli di assetto maggiori Colpo di sterzo 2WS (1/3) • Prova di tipo dinamico più diffusa • Vettura viaggia in rettilineo a velocità costante (o variabile) e subisce perturbazione consistente (colpo di sterzo) • Input sul volante (VOL): nascita dell'angolo ANT Colpo di sterzo 2WS (2/3) • Transitorio – – – – – – nascita dell' angolo ANT reazione a terra pneumatici anteriori YANT rotazione intorno al baricentro con velocità r nascita dell’angolo nascita dell' angolo POST reazione a terra pneumatici posteriori YPOST • Output – inserimento in traiettoria della vettura Colpo di sterzo 2WS (3/3) Ipotesi • Impulso al volante di tipo a rampa (angolo di sterzo massimo dopo un certo tempo) • Velocità di avanzamento costante Curve di colpo di sterzo Considerazioni • Rampa di sterzo = perturbazione al moto • Nascita ed evoluzione curve aY, r, β, Φ • Fase di stabilizzazione delle grandezze = inserimento in curva • Dalle curve si evince il ritardo (transitorio) fra input e output • Ritardo minimo = vetture sportive • Ritardo elevato per vetture adatte a utenti poco esperti • Ritardo intermedio nella maggior parte delle vetture Colpo di sterzo 4WS • Input sul volante (VOL) - nascita degli angoli ANT e POST • Transitorio - nascita contemporanea degli angoli ANT e POST - reazione a terra pneumatici YANT e YPOST • Output - inserimento in traiettoria della vettura • Diminuzione del ritardo esistente fra input e output → Transitorio più breve