Le sospensioni a molla

Le sospensioni a molla

23/03/2011
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23/03/2011

Bentrovati, dopo 2 settimane di pausa per l’enduro test a Finale Ligure, all’appuntamento settimanale con il tech corner!

Oggi ci occuperemo delle sospensioni a molla. Cercheremo di capire come funziona la molla, che cos’è il precarico, che differenze ci sono tra precaricare una molla e sostituirla con una più dura.

Le sospensioni a molla: curva di compressione.

Ci eravamo già occupati, in un precedente articolo, di che cosa si intende con curva di compressione. Senza dilungarci nuovamente sull’argomento, ricordiamo semplicemente che la curva di compressione è un diagramma della forza necessaria a comprimere la sospensione, diagramma che riporta in ascissa la corsa della sospensione e in ordinata la forza necessaria per comprimere la sospensione. Si definisce progressiva una sospensione la cui curva di compressione è una curva di secondo grado progressivamente crescente, regressiva quando la curva è progressivamente decrescente, lineare quando è una linea retta.

Sebbene anche le sospensioni a molla nel loro complesso siano progressivi, grazie all’idraulica e all’aria (o azoto) della camera di espansione, in realtà l’elemento elastico molla è perfettamente lineare: la sua curva di compressione è una retta passante per l’origine (se non precaricata).

Come si vede dal grafico la molla ha un’equazione lineare, in particolare di tipo Y= kx+P dove k è la costante elastica della molla, che dipende dalla sua durezza; P invece è il precarico.

DUREZZA DELLA MOLLA

La durezza della molla è una caratteristica costruttiva della nostra molla. Viene espressa tramite il cosiddetto libraggio, ovvero con un valore in libbre che indica la forza necessaria a comprimerla. Per quanto riguarda la curva di compressione, con una molla più dura la curva di compressione varia come segue, aumentando la pendenza della curva, che tuttavia passa sempre per l’origine:

Come si può ricavare dall’equazione, il grafico evidenzia bene come una maggior durezza della molla (libraggio maggiore) interviene aumentando la pendenza della curva di compressione. Maggiore durezza significa quindi maggiore forza necessaria per raggiungere un determinato affondamento. Per questo motivo variando la durezza della molla varia anche il sag.

PRECARICO DELLA MOLLA

Il precarico consiste invece in una parziale compressione della molla iniziale: a sospensione completamente esteso la molla rimane leggermente compressa. Poiché la corsa della molla, come vedremo in seguito, dev’essere sempre maggiore di quella dell’ammortizzatore, anche comprimendo in parte la molla è possibile sfruttare tutta la corsa senza alcun problema.

Da un punto di vista meccanico, quando si precarica una molla, in condizioni di sospensione scarica questa tenderebbe a ristendersi. Tuttavia la riestensione della molla è impedita dall’ammortizzatore, che oltre un certo valore non si estende grazie a vinvoli interni che ne impediscono l’estensione oltre il valore di interasse. L’ammortizzatore genera quella che viene definita una reazione vincolare sulla molla, impendendone la completa riestensione. Questa reazione vincolare determina il carico di stacco. Il carico di stacco dev’essere compensato dalla sollecitazione che dev’essere pari o superiore ad esso affinchè la sospensione cominci a comprimersi.

Facciamo un esempio pratico per capire meglio… Precarichiamo una molla di 10N. Una sollecitazione inferiore o uguale a 10N non è in grado di comprimere la sospensione. Supponiamo invece di avere una sollecitazione di 15N. Di questi 15N, 10 vengono spesi per portare il sistema all’equilibrio e compensare il precarico mentre 5 contribuiscono a comprimere la sospensione. Di fatto la corsa utilizzata in questo caso è la stessa che utilizzerebbe la sospensione con molla non precaricata in presenza di una sollecitazione di 5N.

La curva di compressione si modifica nel seguente modo:

Di fatto si ha una traslazione vero l’alto e di conseguenza la forza necessaria per comprimere la sospensione istante per istante cresce di un valore fisso che è il precarico o carico di stacco.
Risulta evidente quindi che precaricando una molla si varia il valore di sag, risultando maggiore la forza necessaria per raggiungere un determinato affondamento, che corrisponde al sag che si vuole ottenere.

Precarico o sostituzione della molla: cosa cambia?

Se teoricamente sia il precarico che la sostituzione della molla con una di durezza maggiore permettono di ottenere lo stesso obiettivo, in realtà l’effetto sulla sospensione è diverso. Vediamo questo grafico, che riporta in verde la curva di compressione di una molla più dura non precaricata, in viola la curva di compressione di una molla più morbida e in rosso la stessa molla morbida del diagramma viola, però precaricata. Il tracciamento come prima è sempre qualitativo.

Si tratta di una situazione tipo in cui il sag desiderato si può raggiungere in due modi:

– Precaricando la molla più morbida
– Mettendo una molla più dura

Si ottiene lo stesso risultato per quanto riguarda il sag, tuttavia il comportamento della sospensione sarà differente. Nel caso della molla più morbida precaricata la sospensione tenderà comunque ad affondare facilmente in quanto come si può vedere la pendenza della curva di compressione rimane costante ed inferiore al caso di molla più dura. Aumentando la durezza della molla invece aumenta la pendenza della curva di compressione e quindi serviranno sollecitazioni più intense per raggiungere un determinato affondamento.
Ricordiamo però che l’entità della sollecitazione alla sospensione dipende dall’inerzia del sistema bici più biker. Maggiore è il peso del rider, maggiore sarà la sollecitazione sulla sospensione a parità di ostacolo (supponiamo ad esempio un salto: più pesa il rider, più la sospensione è sollecitata in fase di atterraggio). Con una molla eccessivamente precaricata c’è quindi il rischio che la sospensione sfrutti troppa corsa, tendendo ad insaccarsi sugli ostacoli o raggiungendo il fine corsa. Si può comunque intervenire con le regolazioni idrauliche, se presenti, per dare più sostengo alla sospensione nella seconda parte della corsa.

Sfatiamo invece un mito: una molla precaricata non riduce la sensibilità sui piccoli urti. Eh si, infatti quando utilizziamo la bici la sospensione parte dalla configurazione di sag. Il carico di stacco indotto dal precarico è stato quindi già compensato da una parte del nostro peso e quindi qualsiasi sollecitazione del terreno, anche la più piccola, comprime la sospensione. Se invece partiamo da una condizione di bici scarica (ad esempio la spingiamo a mano su un terreno accidentato) allora si che la sospensione risulta meno sensibile sui piccoli urti, piccoli urti che non sono in grado di vincere il carico di stacco.

La scelta della molla

Se per le forcelle solitamente è il produttore a consigliare e a fornire le diverse molle necessarie per i diversi pesi, negli ammortizzatori è più complicato. Le molle vengono prodotte sia dai produttori di ammortizzatori, sia da terzi. Inoltre spesso le molle sono compatibili anche si da marche diverse. Nella scelta della molla per un ammortizzatore bisogna prendere in considerazione 3 fattori:

– Durezza della molla, espressa in libbre
– Corsa e lunghezza della molla
– Ingombro della molla: se si utilizzano molle di marche diverse da quella dell’ammortizzatore o non specifiche per quel modello, ci possono essere problemi di interferenza, specialmente con il piggy back.

Sulle molle vengono indicati solitamente due valori:

Il primo, nel nostro caso 500, indica la durezza della molla, espressa in libbre. Il secondo, 2.35, indica la massima compressione, espressa in pollici, che la molla è in grado di sopportare prima di deformarsi plasticamente (la “corsa” della molla).

LA DUREZZA DELLA MOLLA

Determinare quale sia la durezza della molla più adatta a noi non è molto semplice, soprattutto se non si ha molta esperienza con le sospensioni a molla. Infatti la durezza della molla che dobbiamo montare dipende da diversi fattori: cinematica della sospensione (rapporto di leva, curva di compressione del carro), corsa dell’ammortizzatore, escursione alla ruota del telaio.

Un buon punto di partenza lo si può ottenere con gli “spring calculator” dei moduli di calcolo che inserendo le caratteristiche di rider e bici sono in grado di fornire un valore abbastanza corretto di durezza della molla ideale. Sicuramente, poiché da rider a rider variano l’utilizzo e dello stile di guida, non è detto che quella che ci viene indicata sia la molla che più ci soddisfa, però è un buon punto di partenza per non dover provare tutte le molle disponibili sul mercato.

Un ottimo spring calculator è quello fornito dal preparatore inglese TFTuned:
http://www.tftunedshox.com/info/spring_calculator.aspx
Per chi non fosse pratico di inglese, riporto le traduzioni:

– Rider Weight: peso del rider
– Shock Stroke: corsa dell’ammortizzatore in pollici
– Wheel Travel: escursione alla ruota
– How do you want your ride?: come preferisci la sospensione? Si può scegliere se si desidera un sag del 28% (freeride) o del 33% (DH)

Il calculator fornisce poi dei valori differenti a seconda dello schema di sospensione e della marca dell’ammortizzatore.

CORSA E LUNGHEZZA DELLA MOLLA

La corsa della molla, indicata dal secondo numero stampato sulla molla, indica la massima compressione, espressa in pollici, che la molla è in grado di sopportare prima di deformarsi plasticamente. Di fatto la corsa della molla dev’essere sempre maggiore della corsa in pollici dell’ammortizzatore su cui è montata. È ad esempio possibile su un’ammortizzatore da 2,25” (57mm) montare una molla con corsa da 2,35” o anche 2,5” o maggiore, ma non è possibile montare una molla da 1,65.

La lunghezza della molla è solitamente correlata alla corsa della molla stessa. E’ possibile montare molle più o meno lunghe, a patto che lo spazio disponibile sull’ammortizzatore sia sufficiente.

INGOMBRO DELLA MOLLA

Attenzione, specialmente quando si comprano delle molle prodotte da terzi, all’ingombro laterale. Alcune molle sono infatti più larghe di altre e potrebbero interferire con alcune parti dell’ammortizzatore quali serbatoi o registri di regolazione. Ricordiamoci poi che molle più dure sono anche più spesse e quindi se una molla morbida di una determinata marca non da problemi, non è detto che anche le versioni con durezza maggiore siano compatibili. Controllare sempre che non ci siano interferenze una volta montata la molla per prevenire danni all’ammortizzatore.

Molle in acciaio, titanio e altri materiali

Chiunque abbia preso in mano una molla in acciaio sa benissimo quanto pesi. Purtroppo il peso della molla è il motivo per cui le sospensioni a molla pesano molto di più di quelle ad aria.

Poiché, specialmente in ambito agonistico e quando si pedala, il peso è molto importante, molti produttori offrono delle molle in materiali più leggeri, solitamente in titanio, anche se si è visto qualche prototipo di molla in fibra di carbonio.

Il titanio è un ottimo elemento per la realizzazione di molle. A parità di durezza infatti la molla è sostanzialmente più leggera e presenta un numero inferiore di spire.

Una falsa leggenda metropolitana vuole che le molle in titanio siano più morbide di quelle in acciaio, a parità di libbraggio. Questo è assolutamente falso, in quanto a parità di libraggio la durezza della molla è sempre la stessa, indipendentemente dal materiale della molla. Per cui se utilizzate una molla da 500lb in acciaio, in titanio avrete bisogno di una molla sempre da 500lb.