Unità mozzo asimmetriche e manovrabilità delle vetture per alte prestazioni

Per le vettureper alte prestazioni è importante mantenere una buona manovrabilità in tutte le condizioni di marcia. Gli ingegneri SKF hanno elaborato una soluzione vincente con lo sviluppo di un’unità cuscinetto asimmetrica per i mozzi ruota, che ha risolto i problemi di lunga data dovuti al fenomeno di piston knock back che si può verificare nelle curve prese ad alta velocità o quando si guida su strade sterrate.

Il fenomeno di piston knock back è legato alla distanza tra i pattini dei freni e il disco e si manifesta con un aumento della corsa del pedale del freno dopo aver affrontato una curva ad alta velocità, cosa che influisce negativamente sui tempi di risposta in frenata e sulla precisione del sistema ESC di controllo elettronico della stabilità.

Il problema nasce quando il gruppo mozzo ruota e disco del freno s’inflette a seguito di forze laterali molto elevate tra il pneumatico e la strada (fig. 1). In tal caso, per effetto della sua posizione inclinata il disco del freno tende ad allontanare i pistoncini delle pinze. Quando si supera la resistenza della tenuta dei pistoncini, questi slittano sulla tenuta stessa e rimangono in posizione retratta. In tal modo si crea un gioco eccessivo tra il disco e i pattini. I pistoncini rimangono in tale posizione (knock back) fino a che non viene nuovamente azionato il freno. Però l’azione richiede una corsa maggiore del pedale (fig. 2).

Importanza di una buona frenata
Naturalmente i veicoli per alte prestazioni devono offrire una manovrabilità e una frenata eccezionali con una risposta lineare e prevedibile in tutte le condizioni di marcia. Dato che i veicoli di questo tipo vengono spesso spinti ai loro limiti dinamici, assume un grande importanza la capacità di affrontare le curve più difficili e frenare in tutta sicurezza.

Paradossalmente, le strategie adottate per migliorare le prestazioni, usando ad esempio freni e pneumatici speciali, possono favorire il fenomeno di knock back. In particolare, i mozzi ruota devono reggere sforzi maggiori con il risultato di subire maggiori inflessioni, mentre freni con disco di maggior diametro possono ampliare gli effetti dell’inflessione dei mozzi.

Un knock back eccessivo influisce anche negativamente sull’efficacia del sistema ESC, proprio perché aumenta il gioco esistente tra il disco e i pattini del freno: il gioco crea una situazione che deve essere superata dall’ESC prima che si generi la forza frenante e questo può ritardare o ridurre l’efficacia del sistema stesso.

Studio del problema
Nel 2006, durante la fase di sviluppo della Cadillac STS-V, si verificavano fenomeni di knock back. Prima di elaborare una soluzione gli ingegneri SKF, insieme con quelli della General Motors, eseguirono prove sia sui veicoli, per definire il problema, sia in laboratorio, per riprodurlo. Essi studiarono anche i possibili effetti correlati alle migliorie apportabili ai mozzi, con queste considerazioni:

• L’architettura di base del veicolo può limitare notevolmente le alternative possibili tese a migliorare la rigidezza di camber (campanatura)
• I pneumatici larghi spesso rendono meno favorevole l’alloggiamento del cuscinetto a causa di un maggiore wheel offset (distanza tra la flangia del cerchione e la mezzeria del pneumatico)
• I pneumatici larghi per alte prestazioni possono avere una migliore adesione e generare maggiori carichi laterali e quindi maggiori momenti flettenti (tilting moment)
• Con le ruote più grandi spesso si ha un raggio ruota statico più elevato, con il risultato di avere un incremento dei momenti flettenti che agiscono sul sistema cuscinetto+freno e disco+montante
• I dischi freno di maggior diametro amplificano le inflessioni del mozzo in corrispondenza dei pistoncini della pinza freno
• Le pinze fisse con pistoncini opposti creano più problemi e presentano una maggiore sensibilità alle inflessioni dei mozzi

I punti principali dello sviluppo delle unità cuscinetto
Le unità cuscinetto per i mozzi devono reggere il disco del freno e la ruota, assicurando un basso attrito nel movimento relativo fra la ruota stessa e l’articolazione di sterzo, e normalmente si progettano sulla base dei carichi radiali e assiali. Per quanto riguarda le unità in sé, i parametri da considerare sono la capacità di carico del cuscinetto, il dispositivo di tenuta, la resistenza strutturale delle flange e il sistema di ancoraggio. E’ anche opportuno dare uno sguardo all’esterno delle unità mozzo, considerandone l’influenza sul comportamento del telaio e dei componenti dei freni.

A causa delle restrizioni imposte dall’architettura del veicolo, i progettisti devono saper ottenere la massima rigidezza di camber, conservando l’interfaccia con i componenti esistenti del veicolo stesso.

Ci sono quattro parametri che influiscono sulla rigidezza del mozzo e i primi tre sono: la geometria del mozzo stesso, il precarico e la configurazione del cuscinetto. Quest’ultima è caratterizzata dalla distanza tra i centri di pressione – che sono funzione della distanza tra le due corone di corpi volventi – dal diametro primitivo di questi e dagli angoli di contatto. Il quarto parametro è il punto attorno al quale la flangia del mozzo s’inflette. Nell’intento di ottenere una maggiore rigidezza, i progettisti aumentarono lo spessore della flangia, sostituirono l’anello elastico con una lavorazione di tipo orbitale dell’ancoraggio per ridurre le possibili variazioni di precarico e aumentarono la distanza tra le corone e il diametro primitivo di quella lato esterno per ridurre l’inflessione del mozzo (figg. 3e 4).

E’ nata quindi un’unità mozzo asimmetrica. La corona lato interno ha un diametro primitivo relativamente piccolo, per adattarsi alla geometria esistente del veicolo, mentre quella lato esterno ha una diametro primitivo maggiore in modo da includere più corpi volventi e così aumentare la rigidezza. Inoltre è stato aumentato di 3 mm lo spessore della flangia (fig. 6).

Con la nuova soluzione, adattabile alle architetture esistenti dei veicoli, si ottiene una rigidezza del sistema notevolmente superiore. Le prove su veicolo hanno evidenziato una riduzione del knock back del 56 % rispetto alla soluzione tradizionale; in tal modo è possibile ottenere dal veicolo una risposta costante e prevedibile e dal sistema ESC un intervento preciso anche in condizioni gravose di guida (fig. 5). A tutt’oggi la SKF ha elaborato tre versioni della X-Tracker: una a sfere (fig. 6), una ibrida a sfere e a rulli conici (fig. 7) e una a rulli conici (fig. 8).