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Costruzione di balestre e ammortizzatori

Per sospensione di un veicolo si intende l'insieme dei componenti che collegano le ruote e quanto ad esse connesso (freni, mozzi, ecc.), dette masse non sospese, al telaio del veicolo, ovvero la carrozzeria e tutte le parti meccaniche in essa contenute, che appoggiando sugli elementi elastici della sospensione (molle, barre o balestre) vengono definite massa sospesa.

I componenti della sospensione controllano i movimenti del telaio rispetto alle ruote (cosiddetti braccetti o puntoni, molla), consentendo la compressione o l'estensione al variare delle forze in gioco; inoltre all'elemento elastico venne quasi subito applicato l'ammortizzatore, un elemento che ne smorza e rallenta l'oscillazione.

Le caratteristiche di un sistema di sospensione/ammortizzatore sono solitamente un compromesso tra le esigenze di tenuta di strada e quelle di comfort.

L'obiettivo principale dell'impiego delle sospensioni è comunque quello di ottenere, nel complesso e durante i vari percorsi, un'ottimale stabilità del veicolo ed un elevato comfort per i suoi occupanti.

I sistemi di sospensione si distinguono per il diverso sistema di collegamento al telaio delle masse non sospese e per il tipo di organo elastico che assicura il movimento relativo fra telaio e ruote.

Le sospensioni con il passare degli anni sono diventate sempre più complesse, allocate in spazi più angusti e sottoposte a carichi sempre maggiori, questo ha portato ad un aumento dei casi di rottura, generalmente dovuti a fatica.

Balestre meccaniche

In questo caso l'organo elastico è una balestra, operante per flessione di foglie di materiale elastico (generalmente acciaio) collegate fra loro da graffe metalliche. Il sistema permette lo spostamento senza necessità di guide, inoltre, dato che le balestre dissipano velocemente l'energia elastica, è possibile realizzare sistemi di sospensione a balestra anche senza l'utilizzo di ammortizzatori.

Il sistema a balestra è stato il primo ad essere usato sui veicoli a motore, e, data la sua notevole rigidezza, viene utilizzato ancora per veicoli particolarmente pesanti, mentre è in disuso per veicoli leggeri come automobili. Il sistema è stato molto usato nel passato, e lo è tuttora, in molti rotabili ferroviari.

Il termine balestra indica in meccanica un tipo di molla, costituito da un fascio di lamine di acciaio, che per sua elementarità e per il suo costo ridotto ha avuto un grande utilizzo per la sospensione degli assali dei veicoli stradali e ferroviari di ogni tipo.

 

Le balestre sono costituite generalmente da più foglie d'acciaio di lunghezza differente sovrapposte e tenute assieme da graffe metalliche che prendono il nome di "cavallotti" (balestre semiellittiche).

 

La principale è detta "foglia maestra" ed è vincolata al telaio da un silent block, che permette l'oscillazione, e da un "biscottino", che permette sia l'oscillazione che l'estensione. Le varie lamine di metallo sono intervallate da fogli di gomma che hanno lo scopo di ridurne attrito e rumorosità. Possono essere integrate da ulteriori lamine dette "fogli ausiliari" o "balestrino".

 

Esistono anche balestre dette paraboliche, formate sovrapponendo delle foglie semiellittiche in modo che si tocchino nella parte centrale.

Il sistema di sospensione mediante balestra, anche se efficace, risulta particolarmente rigido ma, per la sua robustezza, è adatto a mezzi pesanti come autocarri, rotabili ferroviari e in genere, mezzi meccanici da lavoro. I suoi limiti sono costituiti dalla poca attitudine alla marcia in curva e ad alta velocità e al basso comfort nella marcia su strade sconnesse.

 

Particolarmente semplice ed efficace ha goduto di grande considerazione nel campo automobilistico e ferroviario; in tempi recenti è stata progressivamente sostituita da sistemi di sospensione più evoluti, dove nelle automobili per passeggeri è oggi quasi del tutto scomparso. Tra le ultime autovetture ad utilizzare un sistema misto, con balestre al retrotreno, vi è stata la Fiat Panda del 1980. Nel campo ferroviario è stato abbandonato quasi del tutto nelle nuove costruzioni.

Ammortizzatori

Gli ammortizzatori devono assorbire il rimbalzo/oscillazione della sospensione o più precisamente nel caso di mezzi di trasporto della ruota, per fare ciò devono assorbire e dissipare l'energia che viene impressa o sprigionata dalla sospensione. Una considerazione in fase di progettazione o la scelta di un ammortizzatore è l'energia che andrà, nella maggior parte di casi, convertita in calore all'interno del fluido viscoso, come nel caso di sospensioni idrauliche, il fluido idraulico contenuto in cilindri idraulici si riscalda, in altri ammortizzatori come ad esempio quelli elettromagnetici, l'energia dissipata può essere immagazzinata e utilizzata in seguito.

Nella maggior parte dei casi (ammortizzatori idraulici o pneumatici) assumono la forma di un cilindro con un pistone che scorre all'interno (sono telescopici), dove il cilindro esterno (fodero) è riempito con un fluido (come fluido idraulico) o per via aerea (sistemi pneumatici), mentre il pistone solidale con uno stelo (cilindro interno) agisce su di esso.

Gli ammortizzatori sono una parte importante per le automobili e le moto, così come i carrelli d'atterraggio degli aeromobili e gli appoggi per molte macchine industriali, ma sono stati sviluppati anche ammortizzatori più grandi, utilizzati per esempio in ingegneria civile per ridurre la suscettibilità delle strutture ai danni causati da un terremoto. Esistono anche ammortizzatori montati trasversalmente, chiamato smorzatore d'imbardata, che aiuta le automotrici a mantenere l'eccessivo ondeggiare da un lato all'altro e sono importanti per le ferrovie ad uso trasporto pubblico. Il successo delle tecnologie passive di smorzamento in ampiezze di vibrazione, potrebbe essere accertato con il fatto che essa ha una dimensione di mercato di circa 4,5 miliardi di dollari.

In un veicolo gli ammortizzatori vengono utilizzati per ridurre l'effetto sgradevole che si ha nel viaggiare su terreno accidentato, portando a una migliore qualità di guida, all'aumento del comfort e, cosa importante, a una maggiore stabilità e guidabilità del veicolo. Infatti, senza ammortizzatori, le ruote del veicolo si staccherebbero da terra a causa di qualche deformazione del manto stradale, perderebbero aderenza e, di conseguenza, porterebbero alla perdita del controllo del veicolo.

Per il controllo del movimento delle sospensioni, senza l'assorbimento/freno degli urti/oscillazioni tramite gli ammortizzatori sarebbero necessarie sospensioni più rigide, che a loro volta darebbero una risposta più "dura" quando il veicolo affrontasse una buca o un ostacolo. Dato che la forza della molla che contrasta con la compressione della stessa si trasmette anche al telaio e al guidatore/passeggero, si avrebbe un maggiore avvertimento del transito su tale ostacolo.
L'ammortizzatore consente l'uso di molle della sospensione più morbide, perché controlla la velocità di movimento della sospensione in risposta agli urti; questa sua funzione è coadiuvata anche dall'isteresi dello pneumatico stesso, che tramite la sua elasticità smorza l'oscillazione delle masse non sospese.

Gli ammortizzatori possono essere a seconda della funzione ammortizzante:

  • Singolo effetto, questi ammortizzatori agiscono solo in una delle due direzioni/situazioni (compressione o estensione) mentre l'altra è libera di scorrere senza restrizioni, questo tipo d'ammortizzatore sono generalmente utilizzati sulle forcelle delle moto, dove con le forcelle teleidrauliche si hanno due ammortizzatori.

  • Doppio effetto, agiscono sia in estensione che in compressione e generalmente sono ammortizzatori singoli, come nel caso dell'applicazione delle automobili o nei monoammortizzatori posteriori delle motociclette.

Gli ammortizzatori possono essere di molti tipi:
Ammortizzatore idraulico

L'ammortizzatore idraulico è un dissipatore viscoso ed è composto da due cilindri coassiali, uno esterno anulare e uno interno nel quale scorre uno stantuffo con lo stelo ancorato al telaio o viceversa. Il cilindro interno è sempre pieno d'olio, quello esterno solo parzialmente e Il volume di olio nei due cilindri è regolato da vari sistemi, inoltre possono essere del tipo a singolo effetto e quindi avere una valvola di compressione e da una di compensazione (rispettivamente di rimbalzo e aspirazione), che servono a collegare i due cilindri coassiali in modo che ci sia il freno idraulico in una sola azione (estensione o compressione) e costringono l'olio a scorre in determinate finestre o in sistemi che ne regolino il flusso, oppure essere a doppio effetto e in questo caso si ha solo i sistemi di regolazione dello smorzamento.

Nei motoveicoli, generalmente l'ammortizzatore anteriore è munito di una molla interna e in questo caso assume il nome di forcella telescopica o teleidraulica.

Ammortizzatori a effetto magnetico

Questo tipo d'ammortizzatore effettua lo smorzamento tramite lo sfruttamento delle correnti parassite, risultando del tutto simile a un generatore, che prende energia meccanica dalla sospensione, per poi trasformarla in corrente.

Questo sistema può essere munito di reostato per variare la sua influenza.

Ammortizzatore pneumatico

Questo tipo d'ammortizzatore utilizza un gas che durante la compressione o estensione deve scorrere attraverso un orifizio, in modo d'assorbire l'energia a cui viene sottoposto, inoltre data l'elasticità del gas, potrebbero essere usati anche come sospensioni.

Ammortizzatore a frizione

 

Ammortizzatore a frizione

L'ammortizzatore meccanico a frizione, comunemente detto "a compasso", non è altro che una frizione tenuta più o meno serrata, costituita da dei dischi in cuoio, che vengono premuti tra loro tramite un tirante e ad ogni capo di tale frizione si hanno due braccia, collegata una alla sospensione/ruota, mentre l'altra è collegata al telaio, questo tipo di smorzamento veniva utilizzato sulle vecchie moto e auto.

La caratteristica di quest'ammortizzatore è la semplicità, che ne permette una semplice e intuitiva regolazione, così come la rigenerazione dei dischi tramite semplice sostituzione, inoltre ha una resistenza molto costante rispetto alle diverse situazioni operative, anche se risulta maggiore poco prima che la sospensione inizi l'escursione, questo perché questa tipologia d'ammortizzatore si basa sull'attrito radente, inoltre la funzione ammortizzante può alterarsi facilmente per via dell'esposizione a agenti esterni e per l'usura precoce a cui è portata ad avere.

Manutenzione

L'ammortizzatore può essere denominato in vario tipo a seconda delle operazioni di manutenzioni applicabili o necessarie:

  • Inesauribile, questa tipologia d'ammortizzatore non richiede nessuna forma di manodopera, perché non soggetto a consumo, come nei sistemi ad "effetto magnetico" e "mass damper"

  • Rigenerabile, questa tipologia d'ammortizzatore è soggetto ad usura e a perdita di funzionalità, ma può essere rigenerato, riacquistando le sue caratteristiche originarie.

  • Esauribile, questa tipologia d'ammortizzatore è soggetto ad usura e a perdita di funzionalità e non può essere rigenerato, perché non presenta una struttura che consente quest'operazione.

Regolazioni

L'ammortizzatore nella maggior parte dei casi è sprovvista di possibilità di regolazione, dove l'unica regolazione esistente è data dalla resistenza di scorrimento, la quale può essere differenziata:

  • Resistenza alla compressione, questa funzione permette di regolare la velocità di compressione, dove maggiore sarà la sua velocità nel comprimersi e meglio risponderà a strade dissestate e all'utilizzo del mezzo in condizioni di minore carico.

  • Resistenza all'estensione, questa funzione permette di regolare la velocità d'estensione, dove maggiore sarà la sua velocità nell'estendersi e meglio risponderà a strade dissestate e all'utilizzo del mezzo in condizioni di minore carico.

Accorgimenti

Gli ammortizzatori possono essere dotati di vari sistemi:

  • Sensore per la compressione

  • Sospensioni semiattive

  • Sospensioni attive

  • Tampone

  • Sensore per la compressione

Lo stesso argomento in dettaglio:
 

  • Spurgo aria Pressione aria libera, serve per avere una situazione di pressione adeguata dell'ammortizzatore, in modo che possa compiere correttamente le sue escursioni, senza che l'aria che si forma e rimane intrappolata dentro al sistema crei un effetto molla e aumenti la frenatura dell'ammortizzatore, generalmente si utilizza l'aria calma e quindi ha la funzione di spurgo, ma alcuni modelli sono predisposti per l'attacco del manometro per la regolazione della pressione.

  • Sistema anti-affondamento, può essere un vero e proprio sistema indipendente, che regola la resistenza dell'ammortizzatore alla pressione dei freni, oppure una variante del sistema ammortizzante, in grado da conferire in automatico una maggiore resistenza all'avvicinarsi del finecorsa.

Con l'utilizzo di regolazioni morbide si velocizza la risposta della sospensione, ma aumenta l'instabilità a un'andatura sostenuta dato che può dare a saltellamenti (in caso di sospensioni troppo morbide), oscillazioni o a dei trasferimento di peso troppo marcati nella varie manovre (principalmente nelle frenate energiche), mentre con l'uso di regolazioni troppo rigide, si penalizzano le frenate prolungate, improvvise e energiche ritardando il trasferimento di peso, così come la stabilità e il comfort su strade rovinate.

  • Sostituzione dell'olio, un'alternativa alle regolazioni, nel caso di sistemi che ne siano sprovviste, è possibile l'utilizzo di un olio più denso/viscoso, dove l'olio più è denso e più rallenta l'estensione e/o la compressione, quest'alternativa come nel caso delle forcelle con gambali a doppia funzione (estensione e compressione) ha come svantaggio la non differenziazione tra estensione e compressione, mentre come nel caso delle forcelle che hanno i gambali con funzioni diverse (un gambale per l'estensione e uno per la compressione) si può adoperare oli di graduazioni diverse e poter regolare i loro interventi, in modo analogo alle regolazioni meccaniche (registri).

  • Livello/quantità dell'olio, con l'utilizzo di una quantità maggiore d'olio, si avrà un intervento anticipato dell'ammortizzatore, quindi l'azione ammortizzante inizierà con una corsa minore della sospensione, mentre con l'uso di meno olio, si avrà un effetto opposto.