L'ammortizzazione nelle corse Street Mini 4WD

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Incipit

In questo documento si danno per scontate alcune caratteristiche delle mini 4WD, in particolare: che una mini 4WD monti un motore di tipo Normal/Stock, che vada su un percorso tecnico Street Mini 4WD ad una velocità dai 15km/h ai 19km/h, su un misto Street Mini 4WD ad una velocità dai 20km/h ai 24km/h, su un percorso veloce Street Mini 4WD ad una velocità dai 25km/h ai 32km/h (misura eseguita su due ruote su uno Speed Checker Tamiya), che il peso dell'auto pronta a partire (quindi con pile montate) non superi 125gr-130gr. E che le pile utilizzate siano quelle da regolamento Street Mini 4WD 2019/2020 (Ni-Mh 1000mAh).

A velocità e su tracciati differenti (pista, endurance, ecc... ) tutti i dati e i fenomeni qui riportati variano in base alla situazione.

Introduzione

L'ammortizzazione, o sistema di sospensioni, è un meccanismo che permette alle auto di affrontare i percorsi con fondi accidentati mantenendo aderenza sul terreno. L'aderenza al terreno è il fine ultimo che permette di ottenere la stabilità massima e totale di una macchina. Sostanzialmente per migliorare l'aderenza al terreno si cerca di fare seguire alle ruote l'andamento del terreno senza che mai queste si stacchino da esso. Questo fine si raggiunge attraverso la combinazione di:

  • presa delle gomme sul fondo di percorrenza;
  • morbidezza delle gomme e flessibilità dei cerchi: più la gomma è morbida (ad esempio una gomma cava come quelle delle Wild Mini 4WD), più si adatterà alle irregolarità del terreno. Più il cerchio è flessibile e morbido, più ridurrà gli urti;
  • bilanciamento e damper: quando una macchina affronta un fondo irregolare durante la sua corsa si creano degli urti che spostano e disturbano l'andamento della macchina. Inoltre se il fondo che si sta percorrendo ha delle irregolarità minime si creano delle vibrazioni. Queste vibrazioni fanno spostare il baricentro mobile della macchina. Più il baricentro si alza e più la macchina diventerà nervosa durante la sua corsa e perderà il proprio assetto. Si può contrastare la vibrazione creata dall'andamento su fondo accidentato della macchina attraverso damper (pesi mobili) che attenuano le vibrazioni con le loro oscillazioni e con cui si può correggere e migliorare il bilanciamento della macchina;
  • flessibilità del blocco fisso della macchina: il blocco fisso della macchina è composto da telaio e carrozzeria. Quando telaio e carrozzeria sono flessibili, sia gli urti che le vibrazioni vengono attenuati;
  • Sistema di sospensioni: un meccanismo che permette alle ruote di una mini 4WD di muoversi seguendo più coerentemente l'andamento del terreno se esse ricevono una sollecitazione. In questo modo si ottiene una diminuzione dell'urto ricevuto e una riduzione delle vibrazioni della macchina.

La combinazione di questi cinque fattori fornisce la stabilità ad una mini 4WD in strada. Questo documento si occupa dell'ultimo punto in questione.

Diversi sistemi di sospensioni

Dal 2005 ad oggi, e cioè dall'introduzione delle mini 4WD PRO con telaio a meccanica centrale (attualmente presente sui telai MS ed MA), nelle mini 4WD si sono susseguiti diversi sistemi di sospensioni, alcuni detti ad "assi dipendenti" e altri detti ad "assi indipendenti". Le differenze tra un sistema ad assi dipendenti ed uno ad assi indipendenti sono le seguenti:

  • assi dipendenti: quando si muove una ruota per un urto la corrispondente ruota sullo stesso asse subisce una sollecitazione contraria creando una risposta di contrasto e interferendo con il normale l'andamento della macchina;
  • assi indipendenti: ciascuna ruota quando riceve un urto si muove indipendentemente dalle altre 3 e non interferisce con il loro andamento.

Chiaramente dal punto di vista della stabilità un sistema ad assi indipendenti fornisce una migliore risposta al terreno. Perché scegliere un sistema ad assi dipendenti? Il sistema ad assi dipendenti ha come vantaggi:

  • una minore complessità e dunque un minore tempo per la manutenibilità della macchina;
  • un minore peso;
  • una migliore risposta in curva: quando si affronta una curva il baricentro della macchina si sposta all'esterno della curva e un sistema ad assi indipendenti favorisce il fenomeno del rollio, quindi la macchina può ribaltarsi più facilmente durante una curva. Il sistema ad assi dipendenti legando il movimento delle ruote sullo stesso asse riduce l'effetto di rollio. (In un sistema ad assi indipendenti bisogna invece installare una barra anti rollio per risolvere questo problema).

Sistemi di sospensioni ad assi dipendenti

Sistema ad oring e double roller

Sistema ad oring e double roller: la distanza massima di sicurezza che la corona può raggiungere dall'ingranaggio di rapporto è circa 0.5mm, oltre questa distanza la meccanica verrà compromessa

Tra i sistemi di sospensioni dipendenti il più semplice è sicuramente quello implementabile attraverso 4 double roller messi in corrispondenza delle 4 ruote che vanno a sostituire i canonici 4 cuscinetti da 620 fissi. I 4 double roller (o "clessidre") vengono quindi fissati al telaio attraverso degli oring in gomma. Gli oring in gomma fanno muovere i double roller quel che basta per ottenere un sistema ammortizzante. L'oring in questo caso è il nostro ammortizzatore.

Questo sistema ha degli svantaggi notevoli:

  • A causa del design della meccanica PRO, quando una ruota si alza il suo movimento fa spostare l'asse e la corona su esso montata (la corona è l'ingranaggio al centro di ciascun asse). Il movimento della corona interferisce con l'andamento della meccanica della macchina. L'asse infatti, può permettere alla corona di andare più su rispetto alla sua posizione originale. Se il movimento è eccessivo la corona si stacca completamente dal resto della meccanica in movimento: ne risulta una perdita di trazione alle ruote durante la corsa della macchina. E' possibile regolare il sistema affinchè la corona non si alzi troppo, ma in questo modo si perde notevolmente il vantaggio di tutto il sistema ammortizzante in strada.

In strada le sollecitazioni che mettono in funzione il sistema ammortizzante non sono quantificabili a priori come in pista (le sospensioni vengono impiegate in pista per attutire gli urti dovuti ai salti, le caratteristiche dei quali sono quantificabili a priori). Ne consegue che il continuo movimento della corona rovinerà prima o poi tutta la meccanica della macchina e nel breve periodo porterà alla perdita di parecchia velocità e potenza durante ciascuna sollecitazione;

  • Il sistema ad oring e double roller è fortemente dipendente dall'elasticità degli oring che nel tempo devono essere sostituiti per mantenere lo stesso tipo di ammortizzazione o per regolare la risposta ai fondi accidentati;
  • Un urto eccessivo potrebbe fare spostare il blocco creato dagli oring;
  • Se i double roller non sono cuscinettati (non dimentichiamoci che sostituiscono i 4 cuscinetti da 620 della mini 4WD) la perdita di velocità e potenza della macchina risulta notevole.

Sistema di sospensioni MS

Esempio di sistema di sospensioni MS: Risolti i problemi meno impattanti del primo sistema, anche in questo la distanza massima di sicurezza che la corona può raggiungere dall'ingranaggio di rapporto è circa 0.5mm, oltre questa distanza la meccanica verrà compromessa

Un evoluzione del sistema ad oring e double roller è l'ammortizzazione che si vede sui telai MS attraverso l'item 15411 (unità rinforzata N-04/T-04) e delle molle (10305, AO-1034 Sliding Damper Spring Set). Il vantaggio è che al posto degli oring e dei double roller qui vengono utilizzate delle molle e dei blocchi fatti apposta per l'alloggio dei cuscinetti. In sostanza vengono rimossi gli ultimi tre problemi che esposti precedentemente, ma quello più grosso, e cioè la perdita di efficienza meccanica, permane.

Sistema di sospensioni ad assi (semi)dipendenti a bracci mobili

Sistema di sospensioni ad assi (semi)dipendenti a bracci mobili: la meccanica lavora correttamente in tutte le sistuazioni ma il problema è quello della riduzione incoerente del passo della macchina durante una curva su accidentati

Questo sistema risolve il problema del distacco tra la corona e il resto della meccanica in movimento che invece avviene nei primi due sistemi finora analizzati.

Si consideri la distanza tra l'albero sul quale poggia l'ingranaggio di rapporto (cioè l'ingranaggio che connette il motore alle ruote) e l'asse delle ruote. Questa distanza è il raggio della circonferenza il cui centro è l'albero sul quale poggia l'ingranaggio di rapporto. La circonferenza è inscritta dall'altra estremità del braccio mobile (dove passa l'asse delle ruote). In sostanza considerando questo raggio è possibile costruire per coppie di ruote (anteriori e posteriori) 2 bracci mobili. I bracci mobili verranno agganciati in modo che gli assi della mini 4WD su telaio PRO possano solo compiere movimenti guidati: quando gli assi si muoveranno gireranno sempre attorno alla circonferenza immaginaria attorno all'ingranaggio di rapporto. I bracci mobili vengono controllati in risposta da organi come ammortizzatori che sono agganciati ad essi e ad una parte ferma, i cosiddetti bracci fissi. In questo modo anche se le ruote si muoveranno, il loro movimento sarà sempre solidale alla rotazione della meccanica PRO.

Lo svantaggio di questo sistema è la riduzione incoerente del passo delle ruote. Quando le ruote ricevono un urto, queste si alzano seguendo la circonferenza immaginaria che ho precedentemente descritto. Se guardiamo cosa accade alla distanza sul piano delle quattro ruote ci accorgeremo che le ruote anteriori "indietreggiano" (nel caso fosse stata sollecitata una delle due ruote anteriori), riducendo in questo modo il passo della macchina. Sui rettilinei questo comportamento non è percepibile, ma in curva la macchina avrà svariati problemi. Prima di esporli è bene ripassare come una mini 4WD compie le curve rispetto ad un'automobile canonica o a una R/C.

Come una mini 4WD percorre una curva in strada

Le mini 4WD come sappiamo vanno sempre dritto, per farle sterzare si utilizzano le rotelle guida, questo è un concetto base. Cosa significa però questa nozione?

In pista una mini 4WD è costretta dalla sponda esterna alla curva di percorrenza a sterzare perdendo aderenza alle ruote e "spingendo" il proprio avantreno su una sponda fissa. A questo punto entra in gioco la fisica e la rotella a contatto con la sponda considerata diventa il fulcro sul quale la mini 4WD compierà il proprio movimento: la rotella ruota verso l'interno della macchina e il retrotreno della mini 4WD, perdendo aderenza, si appoggia alla sponda con le propria rotella che a questo punto diventa solidale alla sponda e ruota assieme a quella anteriore, grazie alla corsa della macchina. L'azione delle rotelle, o meglio, la loro rotazione in pista, è decisiva, e permette, assieme alla perdita di aderenza delle gomme (in particolare quelle posteriori), di affrontare una curva su una sponda anch'essa curva.

In Street Mini 4WD il discorso è leggermente differente: quando si curva entra sempre in gioco l'aderenza delle gomme, tuttavia le rotelle, invece di iniziare a ruotare continuamente verso l'interno della macchina, diventano solidali ai movimenti della paletta. Cosa significa? Più la rotella è scorrevole e compie velocemente piccole rotazioni parziali e più la trasmissione del movimento della paletta si trasmetterà in modo coerente alla macchina, che di conseguenza si comporterà come il pilota vorrà. Il pilota è il direttore dei movimenti della macchina in curva, la trasmissione di questi movimenti è tanto coerente quanto le rotelle a contatto con la paletta saranno solidali ad essa. In sostanza le rotelle "fungono da giunti omocinetici" tra la paletta e la macchina (le virgolette sono d'obbligo ma era per rendere l'idea).

In entrambi i casi l'entrata in curva di una mini 4WD è sempre caratterizzata da un urto più o meno notevole della macchina con la sponda o con la paletta del bastone di guida. La macchina risponderà a quell'urto iniziando a perdere assetto e aderenza e compiendo la curva in drift.

La guida in drift nello Street Mini 4WD

Alcuni piloti Street Mini 4WD quando le curve sono molto strette effettuano la cosiddetta "manovra drift": in questo caso non è la rotella anteriore all'esterno della curva che entra in azione per prima durante l'entrata in curva, ma è la rotella centrale interna alla curva che diventa solidale per prima alla paletta del bastone di guida, ed in seguito anche la rotella anteriore (interna alla curva) entra a contatto con la paletta.

Questa manovra è molto utilizzata sui percorsi tecnici e a velocità moderate in quanto il posteriore della macchina è sollecitato dal pilota a perdere notevolmente più aderenza rispetto ad una manovra normale. La stabilità della macchina in curva a questo punto è data maggiormente dall'avantreno, ne consegue che i telai a motore anteriore o con un bilanciamento che lo imita hanno molte meno probabilità di sbandare durante la manovra di drift.

Il problema della contraddizione

Riassumo quello che ho espresso nei paragrafi precedenti: le mini 4WD, sia in pista che in street, riescono a curvare attraverso un piccolo urto e compiendo del drift. La combinazione tra drift e aderenza delle gomme ci fornisce la tenuta in curva di una mini 4WD. Un sistema di sospensioni però è fatto per attutire gli urti ed aumentare l'aderenza. Questa è appunto la contraddizione alla base del problema delle sospensioni nelle mini 4WD in street.

Nelle auto come le R/C e anche in tutti i veicoli convenzionali, questo problema si risolve attraverso l'azione combinata dello sterzo e del differenziale: quando una automobile deve affrontare una curva, non urta da nessuna parte, bensì qualcuno (un essere umano o un sistema di IA) mette in gioco lo sterzo del veicolo che indirizza le ruote verso la direzione della curva. A questo punto entra in gioco il differenziale che fa ruotare le ruote interne alla curva ad una velocità differente rispetto a quelle esterne alla curva, ottenendo in questo modo aderenza massima al terreno e nessuna perdita di potenza a causa di fenomeni di drifting. Su un fondo accidentato le sospensioni lavorano in maniera indipendente da questi due altri sistemi e non interferiscono tra di loro, anzi lavorano in sinergia l'uno con l'altro.

Nei sistemi di sospensioni finora implementati sulle mini 4WD non è presente nessuno di questi due sistemi pensato per le curve, ne consegue che una mini 4WD con sistema di sospensioni sarà più lenta di una mini 4WD senza sospensioni su un percorso con molte curve e con fondo accidentato. Il sistema di sospensioni infatti interferisce con la modalità con la quale una mini 4WD compie la curva, aumentandone l'aderenza proprio nel momento in cui la macchina dovrebbe perderla. Questo problema è presente in qualunque genere di sistema di sospensioni implementato nelle mini 4WD. Se la macchina affronta un percorso tecnico su un fondo accidentato ci sono ottime probabilità di perdere la gara contro un pilota di pari esperienza ed una macchina senza sospensioni. Ciò significa che più i raggi di curva sono stretti e il terreno è accidentato e più una mini 4WD con sistema di sospensioni sarà penalizzata rispetto ad un'altra mini 4WD avente le stesse peculiarità ma essendo sprovvista di un sistema di sospensioni.

Analizzo adesso i problemi dei due sistemi di sospensioni più avanzati finora costruiti sulle mini 4WD.

Problemi del sistema a sospensioni ad assi (semi)dipendenti a bracci mobili

Come avevo accennato, il sistema in questione ha come svantaggio la riduzione incoerente del passo delle ruote.

Innanzitutto, nonostante questo sia un sistema ad assi dipendenti, la ruota sollecitata dall'urto indietreggerà più di quella opposta ad essa grazie all'elasticità degli assi e dell'ammortizzatore corrispondente che gestisce il movimento del braccio mobile sul quale è collegata anche la ruota sollecitata (da qui la definizione di "semi-dipendenti"). Questo significa che, durante la percorrenza di una curva su un fondo accidentato, la macchina potrebbe ricevere molte più sollecitazioni in corrispondenza del verso opposto alla curva, in altre parole dove si trova la paletta del bastone di guida. Nel momento in cui la ruota si alzerà, il passo delle ruote in corrispondenza della paletta del bastone di guida si ridurrà, mentre quello delle ruote interne alla curva nel caso peggiore si potrebbe mantenere. Avere questa configurazione ai lati della macchina porta quest'ultima a "curvare" in direzione della paletta del bastone di guida. Ne consegue una forza opposta a quella che si imprime quando si curva. Questo si traduce in un rallentamento in curva. Nel caso migliore si è obbligati ad allargare il raggio di curva mentre si guida.

Ovviamente anche l'urto iniziale sulla paletta, delle rotelle non solidali, molta presa delle gomme (data anche dal peso della macchina) e l'angolazione delle rotelle contribuiscono ad aumentare in maniera esponenziale questo fenomeno negativo.

E' possibile diminuire questi effetti migliorando l'azione delle rotelle sulla paletta rendendole ancora più solidali (ad esempio usando roller a semisfera) e alleggerendo notevolmente la macchina.

Tuttavia "il problema della contraddizione" rimane.

Sistema di sospensioni ad assi indipendenti

Esempio di sistema di sospensioni ad assi indipendenti: la meccanica lavora correttamente in tutte le situazioni, le ruote si muovono in modo indipendente grazie a dei giunti omocinetici sugli assi

La soluzione al problema del precedente dell'incoerenza del passo durante la percorrenza di una curva con un sistema di sospensioni ad assi semi-dipendenti a bracci mobili è la seguente: passare ad un sistema che non influisca sul passo della macchina. Le ruote si devono muovere in modo indipendente alzandosi e abbassandosi senza cambiare il passo della macchina in movimento.

Per realizzare un sistema di sospensioni ad assi indipendenti che sia affidabile e durevole bisogna realizzare degli assi che includano degli "snodi", detti in gergo "giunti omocinetici": organi in grado di trasmettere la trazione dagli assi alle ruote motrici di un’auto in maniera tale che quest’ultime siano in grado di girare a destra, a sinistra, in alto e in basso. Con i giunti omocinetici, e attraverso 4 organi che gestiscono correttamente il movimento delle ruote (bracci mobili e ammortizzatori) si realizza un sistema di sospensioni ad assi indipendenti. Come ho già accennato, un sistema di questo genere ha bisogno inoltre di una barra antirollio collegata agli ammortizzatori in modo da contrastare il fenomeno del rollio durante la percorrenza delle curve.

Gli svantaggi attuali di questo sistema sono sicuramente dati dalla enorme complessità nel realizzarlo in modo che risulti solido, manutenibile più o meno come una mini 4WD canonica e soprattutto leggero: in pratica la macchina non dovrebbe mai pesare più di 125-130gr pronta a partire (quindi con le pile montate).

Tuttavia anche in questo caso, il "problema della contraddizione" già esposto rimane.

Soluzioni?

Io non ne ho trovate. O meglio, le soluzioni ci sono ma non sono implementabili senza stravolgere completamente le combinazioni di peso e manutenibilità della macchina. Se si supera il peso di 125gr-130gr per auto pronta a partire:

  • la sua risposta in curva e in generale in tutte le situazioni di cambiamento di direzione rallenterebbe;
  • la potenza scaricata dalla macchina diminuirebbe;
  • il motore sarebbe sottoposto a un maggiore sforzo.

In pratica si correrebbe con dei mattoni dalla risposta poco reattiva, i quali scaricano le pile velocemente, sforzano il proprio motore e, sui percorsi tecnici, lascerebbero molto a desiderare. C'è chi compensa aumentando la velocità di punta e spingendo la macchina col bastone in maniera inverosimile ma è chiaro che non sia questa la soluzione. Parafrasando la casa madre Tamiya:

"Mini 4WD races are not just about being the fastest, it's also about using your head and having good set-up techniques. Not only do you challenge other racers, but you challenge yourself too. By remembering the spirit of fair play, you can learn how to race honorably and with good manners."

per i non anglofoni:

"Le gare mini 4WD non riguardano solo l'essere più veloci, ma anche a usare la testa e avere buone tecniche di setup. Non stai sfidando solo altri piloti, ma sfidi anche te stesso. Ricordando lo spirito del fair play, puoi imparare a correre in modo onorevole e con le buone maniere".

Ignorando per un momento tre principi Street Mini 4WD (reattività della macchina, peso e manutenibilità) e ciò che ha scritto Tamiya sulle mini 4WD, la soluzione sarebbe: implementare gli stessi sistemi presenti sulle R/C adattati allo stile di guida delle mini 4WD in strada. Il tutto potrebbe essere banale se fossi un ingegnere aerospaziale o meccanico con anni ed anni di esperienza nelle corse di Street Mini 4WD, ma per noi comuni mortali non è assolutamente semplice.

In pratica bisogna costruire attorno al sistema di sospensioni ad assi indipendenti un sistema di sterzo collegato alle rotelle che sia sensibile ai movimenti della paletta del bastone di guida. Le ruote della macchina dovrebbero andare nella direzione impressa dalla paletta del bastone di guida ogni volta che si effettua una pressione sulle rotelle (quindi le rotelle devono essere solidali al massimo con la paletta). Immaginiamo uno o più alettoni ammortizzati: il movimento che effettuerebbero sarebbe solo destra-sinistra rispetto al piano. Gli alettoni ammortizzati dovrebbero essere collegati ad uno sterzo che entra in azione all'entrata della curva. Il problema in questo caso sarebbe mantenere la posizione dello sterzo coerente per tutta la curata della curva (esattamente come avviene sulle auto R/C e su quelle canoniche). Chiaramente si dovrebbe implementare un sistema a 4S, cioè tutte e quattro le ruote della macchina dovrebbero essere sterzanti ed essere quindi collegate ad uno sterzo (come i camion). Dunque parliamo nel caso peggiore di due sterzi: uno all'anteriore e uno al posteriore, comandati da alettoni ammortizzati su cui sono montate rotelle solidali al massimo con la paletta (rotelle a semisfera o delle sfere complete).

In sostanza la macchina monterebbe un sistema di sospensioni ad assi indipendenti, una o due barre antirollio, e questo nuovo sistema di sterzo. Escludiamo per un attimo il differenziale, che in questa fantasia non abbiamo preso in considerazione, e traiamo le conclusioni anche senza includerlo.

Tutti questi sistemi, costruiti attorno ad organi complessi varierebbero in modo decisivo il modo di curvare di una mini 4WD: in pratica non ci si affiderebbe più alla perdita di aderenza (o comunque la sua azione sarebbe ridotta notevolmente), preferendo invece un sistema più canonico per fare le curve. La guida probabilmente cambierebbe e bisognerebbe abituarsi a nuovi comportamenti della macchina.

Per concludere, immaginate adesso una mini 4WD avente: 2 sterzi, un sistema di sospensioni indipendenti e delle barre antirollio. Domande:

  • Quanto peserebbe? Troppo allo stato tecnologico attuale delle mini 4WD;
  • Se la macchina si sfracellasse da qualche parte, quanto tempo si dovrebbe impiegare per ricalibrare tutti questi sistemi? Troppo;
  • Se qualcosa al suo interno si rompesse? Potrebbe essere sostituita velocemente? Direi proprio di no.


Lascio ai posteri eventuali nuove realizzazioni che possano superare queste problematiche...

Gianfranco "ShInKurO"