La tendenza al ribaltamento dei veicoli

Il ribaltamento laterale di un autoveicolo, o rollover (utilizzando un inglesismo ormai diffusissimo), consiste nel sollevamento contemporaneo delle due ruote di un fianco seguito dalla rotazione del veicolo attorno al suo asse longitudinale (fig. 1).

Vettura prossima al ribaltamento laterale.
Fig. 1 – Vettura prossima al ribaltamento laterale.

Tale fenomeno avviene spesso a causa di una complessa interazione tra il conduttore, il veicolo e l’ambiente circostante e, tra le varie tipologie di incidente stradale, occupa un posto predominante dal punto di vista della gravità dei danni, in quanto le dinamiche che ne scaturiscono sono imprevedibili e coinvolgono un elevato numero di variabili.

A dimostrazione di questa tesi c’è anche un rapporto di qualche anno fa della NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) secondo il quale negli Stati Uniti i ribaltamenti sono stati responsabili di circa un terzo di tutte le morti per incidente stradale, sebbene solo il 3% circa degli incidenti stradali abbia incluso ribaltamenti.

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Ribaltamento in strada e fuoristrada

In campo stradale si è soliti dividere i fenomeni di ribaltamento in due macrocategorie: tripped e untripped rollover, cioè ribaltamento con e senza impuntamento. Tipico esempio di un ribaltamento con impuntamento è quello di un veicolo che, dopo essere uscito di strada con una certa velocità laterale, urta un ostacolo che ne innesca il moto di ribaltamento (fig. 2).

Ribaltamento con impuntamento
Fig. 2 – Sequenza di un ribaltamento con impuntamento.

Il rollover senza impuntamento (untripped rollover) è invece più complesso perché non presenta una causa ben definita, ma è il risultato di una serie di fattori che, sommati, danno luogo al fenomeno (manovra del conduttore, condizioni della strada, tipologia e stato del veicolo, ecc.).

In ambito off-road l’argomento rollover è molto sentito per due motivi principali.

  • Innanzitutto, alle due categorie di ribaltamento viste per il caso stradale (tripped e untripped rollover) se ne aggiunge una terza: il ribaltamento dovuto ad eccessiva pendenza laterale.
  • Oltre a ciò, i veicoli destinati all’off-road hanno tipicamente caratteristiche costruttive ed allestimenti che li rendono meno resistenti al ribaltamento rispetto alle vetture stradali (assetto rialzato, molle e componenti antirollio meno rigidi, ecc.).

Static Stability Factor (SSF)

Vista la sensibilità dell’argomento, negli anni si è cercato di individuare un indice oggettivo che consentisse di mettere a confronto la resistenza al rollover dei vari autoveicoli e stilare una sorta di classifica, proprio come viene fatto con le stelle Euro NCAP per i crash test.

Il più semplice e intuitivo indice che consente di classificare la propensione al ribaltamento dei veicoli è sicuramente lo Static Stability Factor (SSF). Per ricavare questo indice occorre conoscere la posizione del baricentro del veicolo. Difatti, esso è il rapporto tra la semicarreggiata t/2 e l’altezza h del baricentro (fig. 3).

Indice statico di ribaltamento: Static Stability Factor
Fig. 3 – Come calcolare lo Static Stability Factor

Riducendo la quota del baricentro ed allargando la carreggiata aumentiamo l’SSF di un autoveicolo e quindi, a parità di altri fattori, maggiore è l’SSF e maggiore sarà la resistenza al ribaltamento. La fig. 4 mostra dei valori plausibili di SSF per varie categorie di veicoli.

Alcuni valori di Static Stability Factor
Fig. 4 – Valori plausibili di SSF per alcune categorie di veicoli.

Per capire meglio il concetto di SSF osserviamo la fig. 5. La semicarreggiata t/2 corrisponde al braccio del momento stabilizzante generato dalla forza peso P che agisce sul baricentro e tende a mantenere tutte le ruote del veicolo aderenti al suolo. L’altezza h del baricentro è invece il braccio del momento ribaltante causato dalla forza laterale Fy che cerca di far ruotare il veicolo attorno al punto A.

Le forze coinvolte nel ribaltamento di un veicolo.
Fig. 5 – Le principali forze coinvolte nel meccanismo del ribaltamento.

Ma vediamo com’è possibile correlare l’SSF alla massima pendenza laterale teoricamente sopportabile da un automezzo.

Ponendo un veicolo su una pendenza laterale e trascurando la deformazione di pneumatici e sospensioni, esso rimarrà stabile fino a che il baricentro non raggiungerà la verticale passante per il centro dell’orma di contatto dello pneumatico a valle (fig. 6). Il moto di ribaltamento avrà inizio nel momento in cui il baricentro andrà oltre tale verticale.

Limite di ribaltamento statico su pendenza laterale.
Fig. 6 – Limite di ribaltamento statico su pendenza laterale.

Un veicolo con SSF uguale a 1 ha il baricentro ad un’altezza pari alla metà della sua carreggiata. Ciò vuol dire che tale veicolo dovrebbe teoricamente permanere su una pendenza laterale di inclinazione pari al 100% (fig. 7). Allo stesso modo, un mezzo con SSF pari a 0,5 non riuscirà ad andare oltre una pendenza laterale del 50% e così via.

Limite di ribaltamento statico di un veicolo con SSF = 1.
Fig. 7 – Veicolo con SSF pari a 1.

Prove sperimentali per valutare la tendenza al ribaltamento

Sebbene l’SSF sia un indicatore semplice e speditivo per mettere a confronto la propensione al rollover dei vari veicoli, esso è piuttosto approssimativo e non tiene conto di diversi fattori che influiscono sulla prestazione in argomento.

In primo luogo, l’indice SSF affronta il problema dal punto di vista bidimensionale, mentre ci sono studi che dimostrano che anche la ripartizione dei carichi tra gli assi di un veicolo, a parità di SSF, influenza la propensione al rollover (ad esempio, incrementando la percentuale di carico verticale sull’asse anteriore aumenta la resistenza al ribaltamento [1]).

In secondo luogo, come già accennato, l’SSF considera il veicolo come un corpo rigido. Esso non tiene conto di rigidezza e smorzamento delle sospensioni, rigidezza torsionale del telaio, caratteristiche degli pneumatici, ecc. In sostanza, esso non considera il comportamento dinamico del veicolo (fig. 8).

Deformazioni di sospensioni e pneumatici su una pendenza laterale.
Fig. 8 – Su una pendenza laterale la cassa del veicolo è soggetta a rollio, mentre gli pneumatici subiscono deformazioni sia verticali che laterali.

Un’indagine sperimentale della NHTSA ha portato alla conclusione che il modo più oggettivo per determinare la resistenza al ribaltamento di un autoveicolo è quello di effettuare specifiche manovre sul campo. In particolare, tra tutte le manovre testate, il fishhook test si è rivelato il migliore. Il nome del test deriva dal fatto che la traiettoria seguita dal mezzo nel corso della manovra ricorda molto un amo da pesca (fig. 9). Le modalità esecutive della manovra sono molto complesse ed impegnative, pertanto richiedono necessariamente l’utilizzo di uno steering robot al posto di guida (fig. 10).

Test per valutare la tendenza al ribaltamento di un veicolo.
Fig. 9 – Fishhook test: schema dell’angolo volante e della traiettoria del veicolo nel corso della manovra.
Sistema robotizzato per l'esecuzione di prove dinamiche su veicoli.
Fig. 10 – Steering robot per l’esecuzione di prove dinamiche su autoveicoli.

La grandezza presa come indice di resistenza al ribaltamento è la massima velocità di marcia con cui il veicolo riesce ad iniziare la manovra senza staccare due ruote da terra nel corso del test. Questa manovra, rispetto ad esempio al cosiddetto test dell’alce (moose test), molto noto ai più, presenta due vantaggi fondamentali.

  • È altamente ripetibile. La prova non consiste nel seguire una traiettoria, come nel test dell’alce, ma si basa sull’attuazione del volante da parte di uno steering robot secondo un ben preciso profilo.
  • Ha un’eccellente capacità discriminatoria. Tale prerogativa è emersa effettuando il test con gli stessi veicoli in due configurazioni: veicolo standard e veicolo degradato (ottenuto aggiungendo una massa sul tetto al fine di alzarne il baricentro). Nel caso del test dell’alce, le differenze di velocità dei veicoli nell’esecuzione del test non sono state apprezzabili. Al contrario, utilizzando il fishhook test, le differenze di velocità tra i veicoli standard e quelli degradati si sono rivelate notevoli.

Fuoristrada e modifiche agli assetti

La maggior parte degli interventi volti a migliorare la mobilità off-road di un veicolo, in molti casi va a peggiorarne la resistenza al ribaltamento. Ad esempio:

  • l’impiego di kit di rialzo dà luogo, per forza di cose, all’innalzamento del baricentro;
  • la rimozione delle barre antirollio e l’adozione di molle meno rigide amplificano il moto di rollio;
  • gli pneumatici off-road a spalla alta hanno una minore rigidezza alla flessione laterale e quindi riducono il momento stabilizzante della forza peso.

È bene rendersi conto che spesso è necessario accettare soluzioni di compromesso, in quanto l’esasperazione di una prestazione ne degrada un’altra. Pertanto, l’adozione di alcune scelte progettuali deve essere ben ponderata in base all’impiego a cui è destinato il veicolo.  

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