Più Spazio per le Batterie, Meno Scossoni? Vi Racconto la Sospensione MLTA per le Auto Elettriche

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida che noi ingegneri ci troviamo ad affrontare sempre più spesso con l’avvento delle auto elettriche (BEV): dove mettere quelle benedette batterie? Soprattutto nelle auto più piccole, quelle compatte o sub-compatte che tanto piacciono in città, lo spazio sotto il pianale è oro colato. E indovinate un po’ cosa spesso occupa un bel po’ di quello spazio prezioso? La sospensione posteriore, in particolare la diffusissima barra di torsione (Twist-Beam Axle o TBA).

Il Grattacapo dello Spazio Sottoscocca

Immaginate il sottoscocca di un’auto elettrica a trazione anteriore. C’è il motore davanti, e poi serve un bel “pacchetto” piatto e lungo per le batterie. La classica sospensione TBA ha una barra trasversale che, muovendosi su e giù con le ruote, “spazza” una zona che limita proprio l’estensione longitudinale della batteria. Un bel grattacapo, vero? Se vogliamo più autonomia, servono batterie più grandi, e se la sospensione è d’intralcio, dobbiamo inventarci qualcosa.

La Nostra Idea: L’Asse a Torsione Multi-Link (MLTA)

Ed è qui che entra in gioco la nostra idea, che abbiamo chiamato Multi-Link Torsion Axle (MLTA). Cosa abbiamo fatto di così rivoluzionario? In pratica, abbiamo preso l’idea della barra di torsione, ma l’abbiamo “ribaltata”, spostandola dietro le ruote invece che davanti. Per gestire le forze laterali e i movimenti, l’abbiamo integrata in un meccanismo chiamato “leveraggio di Watt” longitudinale. Sembra complicato, ma il risultato è semplice: la zona davanti alle ruote posteriori, sotto il pianale, si libera! Questo ci permette di allungare il pacco batterie, offrendo molta più flessibilità ai progettisti. Geniale, no?

Le Sfide Tecniche: Rigidità e Comfort

Ovviamente, non è tutto oro quello che luccica. Spostare la barra di torsione e usare questo nuovo schema ha comportato delle sfide. Ad esempio, il punto di attacco superiore del portamozzo (quello che chiamiamo RU) deve sopportare forze laterali maggiori. Per minimizzare gli effetti leva, dovremmo metterlo il più vicino possibile al centro ruota (WC), ma per ragioni di ingombro (cuscinetto, giunto stesso) c’è un limite fisico, circa 100 mm di distanza verticale. Questo aumenta un po’ la leva rispetto a una TBA tradizionale.

Per ovviare, abbiamo usato una soluzione furba per il giunto RU: due boccole concentriche ad alta rigidità radiale e assiale. Ma non basta. Questa nuova configurazione, senza altre contromisure, aumenterebbe la cedevolezza laterale, soprattutto quella del camber (l’angolo della ruota rispetto alla verticale). Quindi, abbiamo “giocato” con gli angoli delle boccole di attacco alla scocca (U), un po’ come si fa nelle TBA per correggere la convergenza (toe), ma qui lo usiamo per compensare il camber. Questo richiede anche che queste boccole U siano significativamente più rigide radialmente rispetto a quelle di una TBA convenzionale.

Il risultato di queste scelte è che la nostra MLTA ha caratteristiche cinematiche e di cedevolezza (KnC) particolari:

• Cedevolezza laterale e di camber in un range accettabile, grazie alle compensazioni.
• Cedevolezza longitudinale ridotta a circa il 60% rispetto a una TBA. E già le TBA non sono il massimo per il comfort longitudinale rispetto a sospensioni multi-link indipendenti!

Per contrastare quest’ultimo punto, abbiamo progettato la MLTA con una caratteristica chiamata “recessione positiva del centro ruota” (positive WC recession). In pratica, quando la ruota incontra un ostacolo, tende a muoversi leggermente all’indietro, “assorbendo” meglio l’urto longitudinalmente. Questo si ottiene posizionando il centro istantaneo di rotazione (IC) della sospensione in un punto specifico (davanti e sopra il centro ruota, in vista laterale).

C’è un però: questo IC è virtuale, dato dall’intersezione degli assi dei bracci. Esiste una posizione, a circa 60 mm di escursione della ruota verso l’alto (compressione), in cui i bracci diventano paralleli e l’IC si sposta dietro la ruota. Questo potrebbe influenzare negativamente l’effetto anti-lift (la tendenza della sospensione a contrastare il sollevamento del posteriore in frenata). Abbiamo ottimizzato il tutto perché questa posizione parallela si raggiunga solo con escursioni elevate, che non dovrebbero verificarsi con un carico normale. Ma su strade molto sconnesse?

Le Domande Chiave

Tutto questo ci ha portato a porci delle domande fondamentali:

1. Come influisce questa nuova sospensione MLTA sul comfort di marcia percepito dai passeggeri?
2. Qual è la probabilità che si superi quella famosa posizione parallela dei bracci guidando su strade dissestate?
3. La recessione positiva del centro ruota riesce davvero a compensare la minore cedevolezza longitudinale?

Mettiamola alla Prova!

Per rispondere, non c’era che una strada: provare! Abbiamo preso una Ford Fiesta MK8 (una vettura di segmento B, il target ideale per questa tecnologia) e ne abbiamo preparate due versioni: una con la sua TBA originale e una con la nostra MLTA. Per simulare il peso aggiuntivo di un BEV, abbiamo caricato entrambe le auto con delle zavorre (circa 48 kg nel baule e due da 133 kg sotto il pianale). Ovviamente, solo la versione MLTA avrebbe teoricamente lo spazio per ospitare una batteria equivalente a quel peso extra. Abbiamo anche dovuto adattare molle e ammortizzatori su entrambe le versioni per gestire la massa aggiuntiva, cercando di mantenere frequenze proprie e smorzamenti simili a quelli del veicolo di serie.

Qui però è sorto un altro “intoppo” per la MLTA: a causa dell’ingombro della barra di torsione dietro le ruote, abbiamo dovuto posizionare l’ammortizzatore davanti al centro ruota, riducendo il suo rapporto di leva (da circa 1.2 a 0.9). Inoltre, lo spazio limitato nel passaruota ci ha costretto a usare un ammortizzatore con un diametro inferiore a 40 mm. Questo, potenzialmente, significa pressioni interne più alte, valvole forse meno reattive agli urti secchi e meno flessibilità nella taratura. Infatti, pur avendo uno smorzamento simile alla TBA a velocità molto basse, l’ammortizzatore MLTA è risultato avere uno smorzamento significativamente più “duro” nel passaggio tra basse e alte velocità. Era chiaro che la taratura degli ammortizzatori non era ottimale, ma l’obiettivo primario del progetto era portare la MLTA in un “range di accordabilità”, cioè dimostrare che con ulteriori affinamenti si potevano raggiungere buone prestazioni.

Abbiamo portato le auto sul circuito di prova di Lommel (grazie a Ford!) e le abbiamo strapazzate su diverse superfici:

• Strade con irregolarità di media intensità (simili a una strada extraurbana tedesca in cattive condizioni) a 50 km/h.
• Strade con profilo severo (tipo nordamericano) a 80 km/h.
• Superamento di un ostacolo singolo “secco”: un listello (cleat) alto 30 mm, a 30 km/h.

Abbiamo riempito le auto di sensori: accelerometri ovunque (supporti sospensioni, telaio, sedile del guidatore), potenziometri per misurare l’escursione delle ruote. L’obiettivo era valutare oggettivamente il comfort, o meglio, il “discomfort”, seguendo gli standard internazionali (come ISO 2631-1) e le pratiche migliori. Abbiamo analizzato le vibrazioni trasmesse a tutto il corpo (Whole-Body Vibration – WBV), pesando le accelerazioni misurate in base alla frequenza e alla direzione, perché il nostro corpo percepisce le vibrazioni in modo diverso a seconda di come “tremano”.

I Risultati: Comfort Verticale e Longitudinale

E qui le cose si fanno interessanti.
Sulla strada a media intensità, la versione con MLTA ha mostrato un livello di discomfort leggermente superiore rispetto alla TBA, soprattutto in direzione verticale sul sedile. L’analisi delle frequenze (usando la Power Spectral Density – PSD) ha rivelato che, nonostante una frequenza propria del corpo vettura leggermente più alta, la MLTA aveva più energia nella fascia 2-10 Hz (la cosiddetta “choppiness region”), probabilmente a causa di quello smorzamento più elevato. E proprio in quella fascia (attorno ai 4 Hz) le curve di ponderazione ISO danno più “fastidio”. Quindi, su questo tipo di strada, la taratura non ottimale dell’ammortizzatore MLTA si faceva sentire negativamente.

Sulla strada con profilo severo, invece, la situazione si è quasi ribaltata! Il discomfort generale era ovviamente molto più alto per entrambe le auto (classificato come “scomodo” o “molto scomodo” dalla ISO), ma la MLTA è risultata leggermente migliore della TBA, specialmente nella critica direzione verticale sul sedile. Su queste sollecitazioni più ampie, lo smorzamento più elevato della MLTA sembrava aiutare a controllare meglio i movimenti della cassa, mentre la TBA soffriva di più. Questo ci ha confermato che il problema principale era proprio la taratura dell’ammortizzatore: con un lavoro di affinamento (che purtroppo non rientrava nel budget e nei tempi del progetto di ricerca), il comfort della MLTA poteva sicuramente migliorare e raggiungere livelli produttivi. L’obiettivo di portarla in un “range di accordabilità” era stato raggiunto!

Ma la vera sorpresa è arrivata sul listello da 30 mm. Qui dovevamo valutare la risposta agli impatti secchi (secondary ride). In verticale, la MLTA ha mostrato picchi di accelerazione più alti sulla scocca (14.8 m/s² contro 9.8 m/s² della TBA sull’asse posteriore). Questo è probabilmente dovuto sia all’ammortizzatore “sottodimensionato” e più rigido, sia alla massa non sospesa leggermente maggiore della MLTA (più giunti, più leveraggi).

Però, in direzione longitudinale, la musica è cambiata radicalmente! La TBA ha fatto registrare un picco impressionante di 17.7 m/s² al passaggio dell’asse posteriore, mentre la MLTA si è fermata a 11.5 m/s². Un miglioramento notevole! Questo risultato ha confermato in modo sperimentale che la recessione positiva del centro ruota della MLTA riesce efficacemente a compensare, e anzi a migliorare, il comportamento longitudinale sugli ostacoli secchi, nonostante una cedevolezza intrinseca minore. Simulazioni al computer (Multi-Body Simulation – MBS) hanno visualizzato bene questo effetto: la ruota della MLTA, incontrando l’ostacolo, si muove cinematicamente all’indietro in modo più controllato, mentre quella della TBA ha un movimento elastico all’indietro più ampio ma limitato, seguito da un brusco “rimbalzo” in avanti.

E la Questione della Corsa > 60 mm?

Ah, già, quella faccenda dei bracci paralleli oltre i 60 mm di escursione. Abbiamo analizzato la distribuzione statistica (Probability Density Function – PDF) delle escursioni ruota durante i test. Risultato? Sulla strada media, nessuna delle due auto ha mai raggiunto i 60 mm. Sulla strada severa, la MLTA non li ha raggiunti comunque (grazie anche all’ammortizzatore più rigido). La TBA, con il suo setup più “morbido” su quelle sollecitazioni, ha superato i 60 mm con una probabilità bassissima, circa lo 0.5%. Considerando che strade così severe (simili alla classe D della ISO 8608) rappresentano forse lo 0.4% delle strade reali, abbiamo concluso che, allo stato attuale, il rischio legato a questa posizione cinematica particolare della MLTA è trascurabile.

Tirando le Somme

Quindi, cosa abbiamo imparato da questa avventura?

• La sospensione MLTA funziona: libera davvero spazio prezioso per le batterie nei BEV compatti.
• Il comfort verticale, al momento, è penalizzato da una taratura non ottimale degli ammortizzatori, ma è assolutamente migliorabile. La sospensione è “tuneable”.
• La MLTA offre un vantaggio significativo nel comfort longitudinale quando si incontrano ostacoli secchi, grazie alla sua cinematica intelligente (recessione positiva del WC).
• La particolarità cinematica a fine corsa (>60 mm) sembra non essere un problema pratico.

Certo, abbiamo testato un solo prototipo, con risorse limitate. Un normale sviluppo di serie includerebbe molte più sessioni di test e affinamento della taratura. Ma i risultati sono incoraggianti! La MLTA si presenta come una soluzione promettente per conciliare le esigenze di spazio delle batterie con un buon livello di comfort e comportamento dinamico nei futuri veicoli elettrici.

Spero che questo racconto “dietro le quinte” di un progetto di ricerca vi sia piaciuto!

Fonte: Springer