TECNICA - Anti-dive: a volte ritornano

Perché le forcelle con i sistemi antiaffondamento sono cadute nel dimenticatoio? Riuscirà l’Aprilia con un inedito brevetto a riportarle in auge?

Share


Di Stefano Aglianò

Negli ultimi giorni, nei siti nazionali e non del settore moto, è stata spesso riportata la notizia di un originale dispositivo antidive introdotto dalla Casa di Noale. Il brevetto, di non recentissima registrazione, fu depositato prima in Italia per poi essere pubblicato a livello internazionale nel 2018. Il titolo, “Sospensione anteriore di tipo telescopico con effetto anti-affondamento”, con il quale è stato registrato dalla Piaggio e dal suo inventore Paolo Angelin, rappresenta la perfetta sintesi del sistema.

La storia

Il sistema antiaffondamento non rappresenta di certo una novità. E’ stato utilizzato sia in campo automobilistico, con applicazione in Formula1, sia in campo motociclistico. Sulle due ruote non ha avuto una vita longeva a causa di alcuni limiti nel funzionamento che sono stati in parte superati dall’introduzione di sospensioni sempre più sofisticate che permettono di differenziare la regolazione dello smorzamento alle alte e basse velocità (che come si vedrà meglio in seguito non è quella di avanzamento del veicolo bensì relativa al movimento assiale della forcella al variare delle sollecitazioni). I sistemi utilizzati nei decenni passati, dalle varie case motociclistiche, erano abbastanza simili tra loro ed andavano a variare lo smorzamento intervenendo sulla parte idraulica della sospensione. Sfruttando la pressione del circuito idraulico del freno anteriore, attraverso una valvola posta sulla forcella, si riusciva ad intervenire sulle regolazioni della stessa andando di fatto ad irrigidire la sospensione per limitare il repentino affondamento nella fase di frenata.
Il vantaggio del minor trasferimento di carico, era contrastato dalla minor capacità della forcella di copiare le asperità del terreno durante la fase di frenata a causa dell’elevato smorzamento. L’incapacità di seguire il profilo stradale può portare il pneumatico a rimbalzare contro dossi e asperità con conseguente perdita di aderenza e direzionalità. In passato si era fatto ricorso anche a sistemi meccanici, e non idraulici, che però riuscivano a regolare l’affondamento solo in funzione della coppia frenante e non della corsa della sospensione. Quest’ultimo limite è stato superato da Aprilia attraverso un particolare schema sospensivo come meglio si vedrà in seguito.

Il sistema brevettato dalla casa di Noale è completamente meccanico e lascia libertà ai “sospensionisti” di scegliere la più adeguata taratura idraulica. Per difendere il suo brevetto, l’azienda estende il campo di applicazione a motocicli con due ruote e più: 3 (sia tipo Piaggio Mp3 che Piaggio Ape) e 4 (stile quad). Il documento tecnico spiega l’applicazione del sistema per forcelle telescopiche sia a steli rovesciati (USD) che non (se vuoi approfondire sulle differenze clicca qui). Per comodità di trattazione, di seguito, si farà riferimento solo alle USD coerentemente con i disegni pubblicati nel brevetto e riportati nell’articolo.

Il funzionamento e lo schema sospensivo

Il meccanismo antiaffondamento è composto da una serie di elementi meccanici che collegano il fodero della forcella con la pinza freno anteriore. Quest’ultima, che di solito è vincolata rigidamente ai piedini della forcella, può invece oscillare di qualche grado attorno all’asse della ruota ed è in grado di trasferire alla forcella, attraverso una catena cinematica, una forza assiale lungo l’asse z generata dalla coppia frenante, che contrasta la velocità e l’entità dell’affondamento, principalmente nella prima parte della frenata.

Riferendosi alla numerazione riportata nella figure si descrive di seguito il funzionamento. Appena inizia l’azione frenante la pinza 52, attraverso il suo supporto 56, tenderà a ruotare in verso antiorario (lo stesso di avanzamento del veicolo) attorno all’asse della ruota 48 per effetto della forza d’attrito scambiata tra le pastiglie ed il disco freno 60. Si genera così una forza, lungo l’asse della forcella, che si oppone al suo affondamento. Continuando nella frenata tale forza viene superata dal carico sulla forcella che di conseguenza inizia a comprimersi. Schiacciandosi, la forcella tenderà a spingere verso il suolo l’estremità superiore del supporto 56 su cui si trova la cerniera 84 attorno alla quale può ruotare il rullo 80 che trasmette solo la componente perpendicolare della forza scambiata nel punto di contatto P tra la camma 68 ed il profilo curvilineo della sua guida 76.
La camma 68 è a sua volta incernierata nel punto 72 che rappresenta l’estremità del piedino della forcella 44 che quindi ha la funzione di fulcro del sistema. Il profilo della guida 76 ha un centro di curvatura variabile durante la corsa della camma, questo si traduce in una eccentricità ‘d’ variabile. L’eccentricità rappresenta il braccio di leva della coppia trasmessa per cui, variando il suo valore, si può controllare l’entità della forza applicata alla forcella. Il profilo 76 è studiato in modo tale che, in un prestabilito tratto della sua curva, l’eccentricità si annulli e di conseguenza si azzeri anche l’effetto antidive. Se l’eccentricità d è nulla, lo è anche la quota parte della forza frenante trasmessa lungo la direzione dell’asse della forcella. In altri termini se l’eccentricità è zero l’affondamento della forcella non viene contrastato dal dispositivo indipendentemente dal valore della forza frenante.
Nel tratto di profilo della guida 76 caratterizzato da una certa eccentricità, la forza verrà trasmessa in verso opposto all’affondamento attraverso l’asta 73 che collega la camma 68 al fodero della forcella tramite il collare 74. Quest’ultimo rappresenta solo un possibile tipo di realizzazione, e non un limite del brevetto, poiché l’asta potrebbe essere vincolata a qualsiasi ulteriore massa non sospesa della moto come ad esempio la piastra di sterzo inferiore. Ciò che realmente conta, come sottolinea l’autore del brevetto, è applicare la risultante della forza frenante su un qualsiasi massa sospesa che permetta di contrastare l’affondamento della forcella.

Uno svantaggio del sistema è rappresentato dalla presenza di giochi e dall’insorgere dei relativi fenomeni vibratori tra le parti mobili e quelle fisse (come ad esempio tra il supporto della pinza freno ed il piedino della forcella). Per contrastare questo inconveniente si possono inserire, come collegamento aggiuntivo della catena cinematica, delle molle opportunamente precaricate o dei cuscinetti con un adeguato schema di montaggio.

Il modello matematico

Per meglio comprendere come intervenire sui valori caratteristici del sistema è bene procedere con un approccio matematico. Applicando l’equilibrio dei momenti al supporto 56 della pinza freno, è possibile ricavare l’espressione della forza K. Questa rappresenta la quota parte scambiata tra il supporto 56 e la camma 68 in direzione normale al profilo della guida 76. Sostituendo il valore trovato nella equazione di equilibrio dei momenti applicata alla camma 68, si ricava B che rappresenta la forza trasmessa dalla camma 68 all’asta 73. Moltiplicando la forza B, appena descritta, per il coseno dell’angolo α si ottiene S che è la forza generata dal sistema antidive applicata lungo l’asse z in verso opposto all’affondamento della forcella. Trovati tutti i dati necessari a descrivere il modello matematico, si osserva che la forza S è dipendente da quella frenante scambiata nel punto di contatto pneumatico-asfalto, dall’eccentricità d e dall’angolo α.

L’eccentricità d e l’angolo α sono i due parametri su cui si può intervenire per variare la risposta del sistema. Per modificare l’angolo basterà serrare il collare 74 ad una altezza diversa lungo il fodero 32. Per variare l’eccentricità si deve intervenire, in maniera più drastica e meno rapida, sulla forma del profilo della guida 76. L’intervento si traduce nella sostituzione della camma 68 con un’altra caratterizzata da una guida con differente geometria. La variazione di eccentricità, attraverso l’utilizzo di diversi profili, permette di decidere sia la percentuale di forza assiale da trasmettere alla forcella sia a che punto dell’escursione della sospensione annullare l’effetto antiaffondamento. Per ottenere ciò, come accennato in precedenza, occorre utilizzare un profilo con eccentricità nulla in modo tale che la spinta assiale sulla forcella si azzeri.

La possibilità di variare a piacimento il rapporto tra la forza frenante F e la spinta assiale S applicata sulla forcella, con la possibilità di annullarla e renderla di fatto indipendente dalla coppia frenante, rappresenta il nocciolo dell’invenzione. Questa flessibilità si traduce nella possibilità di avere una forcella sostenuta nella prima parte di escursione, quando si applica una notevole forza frenante, per poi avere un comportamento neutro della sospensione nella seconda fase di escursione, senza effetto antidive, che permette di copiare al meglio le asperità del terreno.

Un esempio

Di seguito, figura 13 del brevetto, si riporta un esempio in cui il profilo guida della camma 68 è disegnata in modo da avere la cancellazione dell'effetto antidive quando la sospensione raggiunge e supera gli 80 mm della sua corsa. Ciò significa che nella rimanente parte, fino a fondo corsa, il sistema antiaffondamento trasmette una forza nulla alla forcella indipendentemente dalla forza frenate applicata. L'ascissa del grafico mostra l’affondamento, l'ordinata la percentuale della forza antidive S rapportata ad una forza frenante F con il valore massimo nella prima parte della corsa.

Negli ultimi anni l’introduzione delle sospensioni elettroniche, che permettono di variare la risposta in base alle sollecitazioni dell’asfalto ma anche alla condotta di guida del pilota, fanno sembrare il sistema introdotto ormai superato o almeno con un minor grado di sfruttabilità rispetto alla controparte gestita da una centralina. Ricordando però che in alcuni campionati, tra cui la MotoGP, le sospensioni a controllo elettronico sono vietate da regolamento e visto che gli schemi per il brevetto utilizzati raffigurano una componentistica particolarmente sportiva, il tutto potrebbe prendere una piega diversa. Aprilia ci potrebbe sorprendere con una applicazione simile nei prossimi aggiornamenti della sua RS-GP che ha positivamente impressionato negli ultimi test pre-campionato.

Fonte: Patent WO 2018/092082 Al; Title: Front suspension of the telescopic type with anti-dive effect

Share

Articoli che potrebbero interessarti