Come funzionano le sospensioni attive e semi-attive sulle moto?

Gli odierni mezzi di trasporto hanno raggiunto una dinamica di guida di alto livello anche grazie alle sospensioni a controllo elettronico. Scopriamo come queste unità ‘smart’ riescono ad incrementare il livello di comfort, prestazione e sicurezza con affinità e differenze dei vari modelli sul mercato

Scritto da Stefano Aglianò - Lun, 08/11/2021 - 17:30

Moto - News: Come funzionano le sospensioni attive e semi-attive sulle moto?

La sospensione è generalmente caratterizzata da una componente elastica (solitamente una molla metallica elicoidale) e da uno smorzatore idraulico in grado di dissipare l’energia. Le unità sospensive più sofisticate offrono la possibilità di intervenire sulle regolazioni di entrambe le componenti per consentire una maggior personalizzazione del veicolo. Come illustrato in questo precedente articolo, andando a modificare il precarico della molla non varia la rigidezza dell’unità, che è una proprietà intrinseca della molla, bensì il limite oltre il quale la stessa inizia a deformarsi. Intervenendo invece sulla smorzamento idraulico, si hanno effetti sulla curva di frenatura idraulica in compressione ed estensione.

Fino a qualche anno fa, nel mondo moto, la modalità più diffusa per poter modificare la taratura delle sospensioni era meccanicamente e staticamente. Questa tipologia viene detta passiva in quanto, una volta stabilita la taratura iniziale, il movimento del sistema sospensivo è indotto unicamente dal profilo stradale e dalle sollecitazioni dinamiche. Ultimamente la maggior diffusione di dispositivi di controllo elettronici ha permesso di travasare la tecnologia, prima riservata al mondo delle quattro ruote, a quello delle due ruote. Recentemente, anche se ad oggi rappresenta una ristretta nicchia del mercato, l’utilizzo di sospensioni gestite elettronicamente si è espanso anche nel settore del ciclo. A livello macroscopico le sospensioni si possono classificare in tre gruppi: le sospensioni attive e semi-attive e passive. L’ultimo tipo come detto è rappresentato dalle sospensioni ‘tradizionali’. In questo articolo ci soffermeremo su quelle attive e adattive. Chi non ha particolare confidenza con lo schema sottostante, del sistema massa-molla-smorzatore, può trovare una rapida spiegazione al simbolismo qui, grazie alla quale noterà l’aggiunta del controllore e dell’attuatore nel sistema (semi)attivo rispetto a quello passivo. Lo scopo è andare a controllare ‘attivamente’ lo spostamento relativo tra masse sospese (m_b) e non sospese (m_t).

SOSPENSIONI ATTIVE E SEMIATTIVE

Le sospensioni attive consento di gestire in continuo, ossia di controllare in tempo reale, sia l’entità dello smorzamento che le variazioni d’assetto. Le informazioni fornite dai diversi sensori come giroscopi, accelerometri e piattaforma inerziale (IMU) permettono di monitorare la dinamica del veicolo in movimento. Le informazioni sono rielaborate dalla centralina che restituisce dei segnali in uscita necessari per azionare gli attuatori che fisicamente variano l’altezza delle masse sospese. Affinché il sistema sia efficace, è necessario che sia altamente responsivo. Per ottenere una elevata velocità di intervento, e quindi un controllo in tempo reale, è necessario che gli attuatori siano in grado di erogare una elevata potenza. Alzare o abbassare una moto, in un brevissimo intervallo temporale, richiede degli attuatori tali che trovano difficoltà di installazione a bordo. L’utilizzo di questi sistemi, infatti, trova maggior diffusione in campo automobilistico dove ingombro e peso rappresentano due limiti meno stringenti.

Gli attuatori di tipo idraulico variano la pressione interna del sistema generalmente grazie al connubio di una pompa ad alta pressione e di un pistone radiale. Un esempio di tale applicazione è il sistema autolivellante che permette di mantenere costante l’altezza del veicolo al variare del carico. Il sistema risulta utile anche per diminuire l’altezza della vettura al crescere della velocità per migliorare le prestazioni aerodinamiche.
I sistemi idraulici sono caratterizzati da una intrinseca latenza nella risposta che viene sopperita dalle sospensioni elettro-meccaniche. Questa tipologia di sospensioni, grazie all’utilizzo di motori elettromagnetici, è in grado di offrire una risposta di intervento più rapida e quindi più efficace. Questo particolare meccanismo sospensivo è in grado di dialogare con i moderni, e sempre più diffusi, sistemi di ausilio alla guida. Radar e telecamere riuscendo a ‘leggere’ le condizioni del manto stradale fornendo delle preziose informazioni al sistema di controllo che riesce in questo modo ad intervenire con maggior prontezza e tempestività.

I diversi sensori a bordo sono in grado di leggere lo spostamento delle sospensioni e forniscono segnali di input per la centralina che, analogamente a quanto concerne la regolazione dell’assetto, invia dei segnali agli attuatori per intervenire sullo smorzamento. In base a diverse strategie di controllo si può prediligere il comfort piuttosto che la massima prestazione. In quest’ottica la maggior diffusione di dispositivi a controllo elettronico ha ampliato la possibilità di variare il ‘carattere’ della moto, in base alle diverse esigenze, anche per i segmenti intermedi di mercato. Possibilità prima riservata solo alla alta gamma. Gli attuatori necessari per regolare lo smorzamento, necessitano di molta meno energia rispetto ai dispositivi di variazione d’assetto. Gli attuatori sono tipicamente delle elettrovalvole azionate da solenoide o motori passo passo. Le valvole vengono azionate per regolare il flusso d’olio andando a modificare il passaggio libero offerto. La maggior o minor resistenza indotta nel transito dell’olio nei condotti va a modificare la curva di risposta della sospensione. Il risultato ottenuto è analogo a quello che si ottiene intervenendo manualmente con i registri meccanici.
Il vantaggio è la regolazione autonoma del sistema di controllo anche mentre il veicolo è in movimento. Gli attuatori che gestiscono l’entità dello smorzamento sono, come detto, poco energivori ed in più essendo anche leggeri non impattano significativamente sul peso finale del veicolo. Questo è un aspetto molto importante che ha determinato la maggior diffusione di sospensioni semi-attive sulle due ruote, rispetto ai sistemi completamente attivi che richiedono di meccanismi più complessi e pesanti. Il sistema motociclo è ovviamente molto più leggero della controparte a quattro ruote. Pertanto, il medesimo incremento di peso in termini assoluti, risulterà fortemente sfavorevole in termini relativi sulla moto. Aspetto che si riflette in maniera preponderante, e negativa, sulla dinamica di guida. Riuscendo a limitare l’incremento di peso, il vantaggio offerto dalle sospensioni elettroniche in termini di comfort e stabilità non viene mitigato. La logica di funzionamento del sistema è gestita attraverso complessi algoritmi in grado di lavorare ad elevate frequenze. Durante le diverse fasi di guida, come accelerazione o frenata, si innescano dei trasferimento di carico che possono essere contrastati andando ad intervenire sul coefficiente di smorzamento della singola sospensione anteriore e posteriore.

Si ribadisce che le sospensioni attive sono in grado di gestire e variare in tempo reale sia la variazione d’assetto che lo smorzamento. Le sospensioni semi-attive, invece, gestiscono in continuo solamente lo smorzamento e l’assetto può essere regolato soltanto in modo statico in funzione di diversi parametri come il carico (con o senza passeggero), condizioni del fondo stradale, destinazione d’uso (pista o strada). Indipendentemente dal tipo di sistema impiegato, la gestione dell’assetto avviene tramite l’intervento sul precarico della molla. In caso di sospensione pneumatica la regolazione viene fatta intervenendo sul valore della pressione interna. Con un esempio pratico, si ipotizzi di aumentare il precarico della molla. La stessa viene compressa di una determinata entità. Questa operazione si traduce in un minor abbassamento delle masse sospese sotto il peso della moto stessa e del pilota. Di fatto è stata modificata l’altezza di assetto statico. Di contro riducendo il precarico della molla, rispetto alla condizione di riferimento, la sospensione affonderà maggiormente sotto il peso del sistema moto più pilota, andando a ridurre l’altezza delle masse sospese. Per quanto riguarda i sistemi di controllo per la regolazione dello smorzamento non cambia nulla rispetto a quanto già illustrato per le sospensioni attive. Sul mercato esistono diverse tipologie di sistemi.

SOPENSIONI MAGNETOREOLOGICHE

Oltre a quelle già analizzate degno nota è il sistema di smorzamento a controllo magnetoreologico. Il fluido magnetoreologico è un fluido che ha al suo interno delle particelle metalliche che reagiscono alla presenza di un campo magnetico modificando le proprietà fisiche. Più precisamente, un fluido magnetoreologico sottoposto ad un campo magnetico ha la proprietà di variare istantaneamente e reversibilmente la sua viscosità in modo proporzionale all’intensità del campo. Le particelle ferrose hanno dimensioni comprese tra 3 – 10 micron, sospese nel liquido, e rappresentano una percentuale in volume compresa tra 10-40%. In presenza del campo magnetico le particelle in sospensione, per il fenomeno della polarizzazione, si dispongono in strutture ordinate e parallele alle linee di flusso del campo. All’aumentare del flusso, le particelle si aggregano formando delle colonne che riducono la mobilità del fluido incrementando la viscosità.
La caratteristica principale dell’utilizzo di un fluido magnetoreologico è la possibilità di variare lo smorzamento della sospensione andando a variare solamente la viscosità dell’olio senza dover introdurre ulteriori dispositivi. Nelle sospensioni non magnetoreoligiche, per variare lo smorzamento, è necessario intervenire sulla sezione variabile delle condotti attraverso cui defluisce l’olio. Quindi come visto in precedenza per ottenere un comportamento adattivo è necessario che il sistema sia provvisto di un attuatore gestito elettronicamente. Al contrario, nelle sospensioni magnetoreologiche la sezione dei passaggi rimane costante, ciò che cambia è la proprietà fisica del fluido. Tra i vantaggi delle sospensioni magnetoreoligiche ci sono una maggior semplicità costruttiva, compattezza e affidabilità in quanto ci sono minor parti in movimento. Questa caratteristica richiede anche una minor potenza al sistema per poter funzionare. Essendo il fluido stesso ‘attivo’ è possibile eliminare la parte attuativa del sistema con i vantaggi appena descritti. Tra gli svantaggi del sistema si annovera una maggior usura dei componenti a causa della alta abrasività del fluido. Date le notevoli potenzialità della tecnologia, non solo in ambito automotive, si stanno profondendo sforzi per arginare tale problematica. L’uso di particelle di minori dimensioni e di forma sferica aiutano a rallentare il fenomeno di usura che risulta molto utile nel caso ci siano tenute meccaniche all’interno del sistema.