Ammortizzatore

L'ammortizzatore è un sistema che ha lo scopo di smorzare l'oscillazione o rallentare un movimento (compressione o estensione) delle sospensioni di un macchinario.

Funzione 

Gli ammortizzatori devono assorbire il rimbalzo/oscillazione della sospensione o più precisamente della ruota, per fare ciò devono assorbire e dissipare l'energia che viene impressa o sprigionata dalla sospensione. Una considerazione in fase di progettazione o la scelta di un ammortizzatore è l'energia che andrà, nella maggior parte di casi, convertita in calore all'interno del fluido viscoso, come nel caso di sospensioni idrauliche, il fluido idraulico contenuto in cilindri idraulici si riscalda, in altri ammortizzatori come ad esempio quelli elettromagnetici, l'energia dissipata può essere immagazzinati e utilizzati in seguito.

Descrizione 

Nella maggior parte dei casi (ammortizzatori idraulici o pneumatici) assumono la forma di un cilindro con un pistone che scorre all'interno (sono telescopici), dove il cilindro esterno (fodero) è riempito con un fluido (come fluido idraulico) o per via aerea (sistemi pneumatici), mentre il pistone dello stelo (cilindro interno) agisce su di esso.

Uso 

Gli ammortizzatori sono una parte importante per le automobili e le moto, così come i carrelli d'atterraggio degli aeromobili e gli appoggi per molte macchine industriali, ma sono stati sviluppati anche ammortizzatori più grandi, utilizzati per esempio in ingegneria civile per ridurre la suscettibilità delle strutture ai danni causati da un terremoto. Esistono anche ammortizzatori montati trasversalmente, chiamato smorzatore d'imbardata, che aiuta le automotrici a mantenere l'eccessivo ondeggiare da un lato all'altro e sono importanti per le ferrovie ad uso trasporto pubblico. Il successo delle tecnologie passive di smorzamento in ampiezze di vibrazione, potrebbe essere accertato con il fatto che essa ha una dimensione di mercato di circa 4,5 miliardi dollari.

Ammortizzatore per veicoli 

In un veicolo, viene utilizzato per ridurre l'effetto sgradevole che si ha nel viaggiare su terreno accidentato, portando ad una migliore qualità di guida e l'aumento del comfort, infatti senza ammortizzatori, le ruote del veicolo potrebbero rimbalzare, infatti l'energia viene assorbita e poi rilasciata violentemente, il che potrebbe portare a superare i limiti di movimento della sospensione, andando a battere contro i finecorsa meccanici.

Per il controllo del movimento della sospensione, senza un assorbimento/freno degli urti/oscillazioni tramite ammortizzatore richiede delle sospensioni più rigide, che a sua volta porta ad avere una dura risposta nel caso si affronti una buca o un ostacolo da parte della sospensione, dato che la forza della molla che contrasta con la compressione della stessa, si trasmette anche al telaio e al guidatore/passeggero, si ha un maggiore avvertimento del transito su tale ostacolo.
L'ammortizzatore consente l'uso di molle della sospensione più morbide, perché controlla la velocità di movimento della sospensione in risposta agli urti, questa sua funzione è coadiuvata anche dall'isteresi dello pneumatico stesso, che tramite la sua elasticità smorza l'oscillazione delle masse non sospese.

Tipo di controllo/effetto 

Gli ammortizzatori possono essere a seconda della funzione ammortizzante:

• Singolo effetto, questi ammortizzatori agiscono solo in una delle due direzioni/situazioni (compressione o estensione) mentre l'altra è libera di scorrere senza restrizioni, questo tipo d'ammortizzatore sono generalmente utilizzati sulle forcelle delle moto, dove con le forcelle teleidrauliche si hanno due ammortizzatori.
• Doppio effetto, agiscono sia in estensione che in compressione e generalmente sono ammortizzatori singoli, come nel caso dell'applicazione delle automobili o nei monoammortizzatori posteriori delle motociclette.

Tipo d'ammortizzatore 

Gli ammortizzatori possono essere di molti tipi:

Ammortizzatore idraulico 

L'ammortizzatore idraulico è composto da due cilindri coassiali, uno esterno anulare e uno interno nel quale scorre uno stantuffo con lo stelo ancorato al telaio o viceversa. Il cilindro interno è sempre pieno d'olio, quello esterno solo parzialmente e Il volume di olio nei due cilindri è regolato da vari sistemi, inoltre possono essere del tipo a singolo effetto e quindi avere una valvola di compressione e da una di compensazione (rispettivamente di rimbalzo e aspirazione), che servono a collegare i due cilindri coassiali in modo che ci sia il freno idraulico in una sola azione (estensione o compressione) e costringono l'olio a scorre in determinate finestre o in sistemi che ne regolino il flusso, oppure essere a doppio effetto e in questo caso si ha solo i sistemi di regolazione dello smorzamento.

Nei motoveicoli, generalmente l'ammortizzatore è munito di una molla interna e in questo caso assume il nome di forcella telescopica o teleidraulica.

Funzionamento 

L'ammortizzatore a olio si basa sulla viscosità dell'olio, sul lume di passaggio e sulla velocità di compressione, dove in condizione di lume costante si ha un aumento esponenziale della resistenza allo scorrimento all'aumentare della velocità di compressione e quindi di scorrimento dell'olio.^[1]

Struttura 

Gli ammortizzatori idraulici possono essere:

Bitubo 

Schema di ammortizzatore idraulico (bitubo)

Questo tipo d’ammortizzatore è caratterizzato dall'uso di due tubi concentrici in cui scorre il pistone (nel tubo più piccolo), lo spazio tra essi è parzialmente occupato da azoto o aria per compensare il volume dello stelo che viene occupato o liberato nei suoi movimenti telescopici.

Durante la fase di compressione l'ammortizzatore si accorcia, un volume d'olio pari a quello dello stelo si travasa nel cilindro esterno attraverso la valvola di compressione, parte dell'olio che si trova nel cilindro interno sale sopra lo stantuffo attraverso la valvola di aspirazione, durante quest'azione l'aria intrappolata si comprime e questo permette di aumentare la resistenza dell'ammortizzatore, facendo spostare il movimento dell'olio sempre più attraverso la valvola di aspirazione.

In fase di rimbalzo o estensione avviene l'opposto: l'ammortizzatore si allunga, l'olio rientra dal cilindro esterno a quello interno per effetto di una depressione che crea lo stantuffo, attraverso la valvola di compensazione. Contemporaneamente nel cilindro interno l'olio passa dalla parte superiore dello stantuffo alla parte inferiore, per effetto della salita dello stantuffo che apre la valvola di compensazione.

Questo tipo d'ammortizzatore permette una elevata flessibilità nella regolazione/variazione/gestione delle caratteristiche di smorzamento e la presenza di azoto in bassa pressione minimizza i fenomeni di cavitazione e l'emulsione dell'olio, prestandosi a una eccellente performance.

Esistono anche altre disposizioni del bitubo, dove non si ha il pompante centrale, ma il tubo centrale svolge la funzione di pompante e ammortizzatore, assieme a un tubo centrale cavo fisso al tubo esterno, questa è la disposizione tipica delle soluzioni meccaniche.

Monotubo "De Carbon" 

Schema di ammortizzatore oleopneumatico (monotubo)

Questo tipo d’ammortizzatore è caratterizzato dall'uso di un tubo in cui scorre il pistone, è caratterizzato dall'uso di una camera pneumatica (ad alta pressione) con pressioni maggiori ai 10 bar e di olio.

Questi due elementi sono separati da un pistone flottante, inoltre questo tipo di ammortizzatore non ha limiti d'inclinazione e non si ha la cavitazione.

Quest'ammortizzatore non si differenzia molto dal precedente per il funzionamento, infatti il pistone che è immerso nell'olio ha sempre le due valvole per i due versi di scorrimento, dove nel caso della compressione si ha il travaso dell'olio nella parte superiore del pistone, ma dato che non si può avere una trasferimento immediato, la camera pressurizzata si comprime per permettere una maggiore costanza nell'azione dell'ammortizzatore, che se paragonata al bitubo svolge la funzione dell'aria intrappolata nel tubo esterno.

Monotubo "Allinquant"

Questo tipo d’ammortizzatore è molto simile al precedente, ma la camera pneumatica non è posta dentro al tubo, ma di lato e messa in comunicazione tramite un passaggio calibrato.

Quest'ammortizzatore si comporta esattamente come il precedente, solo che la camera pressurizzata essendo posta di lato l'olio fuoriesce dal cilindro e va dentro questa camera, dove il gas è isolato tramite una membrana.

Soluzione ammortizzante

Per avere una funzione ammortizzante bisogna utilizzare una soluzione specifica o combinazioni di queste in modo d'avere una forza frenante.

L'azione smorzante di questi sistemi sarà maggiore in proporzione alla velocità con cui l'ammortizzatore si accorcia, ma questa relazione varia a seconda delle soluzioni adoperate.

A flauto 

Questo sistema è stato superato, ma viene usato ancora per mezzi economici, data la sua economicità e semplicità, difatti l'olio è obbligato a scorrere su delle fenestrature di dimensioni fisse.^[2]

Questa caratteristica determina una resistenza ridotta o nulla alle basse velocità (di compressione), mentre può risultare eccessiva alle alte velocità (di compressione) e anche se può essere munito di regolazioni per variare la resistenza del freno idraulico, comunque sia il suo arco di funzionamento risulta essere ridotto, determinando sia condizioni di freno inefficace che fasi di freno eccessivo in particolar modo alle diverse velocità di compressione.

A fenestratura variabile 

Questo sistema utilizzato sulle forcelle solo per la funzione di compressione, è un'evoluzione del sistema a fenestratura, dove non si fa scorrere l'olio dentro a un flauto forato, ma si utilizza lo stelo e il tubo centrale (vincolato al fodero e con forma a cono) per determinare la resistenza dell'ammortizzatore, dove nei primi millimetri di compressione si ha poca resistenza per il grande lume di passaggio che si ha tra stelo e tubo centrale, mentre nelle fasi finali di compressione si ha una ridotta sezione di passaggio per via della forma del tubo centrale.

Questo permette d'avere un aumento della resistenza idraulica man mano che si comprime la forcella, riuscendo a conferire un'ottima elasticità e anche un comportamento anti-affondamento della forcella o sospensione, senza compromettere la qualità della marcia, ma dato che comunque sia la sezione di passaggio dell'olio non varia in base alla velocità di compressione, si ha sempre un comportamento piuttosto variabile rispetto alle diverse velocità di compressione.

A pistone flottante

Questo sistema permette d'avere entrambi gli effetti ammortizzanti in un unico elemento, le quali hanno caratteristiche del tutto paragonabili ai sistemi a flauto e che non riescono ad avere un comportamento lineare alle diverse velocità di scorrimento, perché esattamente come i sistemi a flauto si basano sui passaggi calibrati, questa tipologia di ammortizzatore è generalmente composta in due parti, un disco forato assialmente e munito di una o più lamelle (costituisce una valvola unidirezionale del tipo aperto o chiuso) ed il pompante flottante munito di forature assiali del tutto simile alla cartuccia, in un'azione il pompante rimane premuto alla cartuccia tramite una molla e la resistenza dell'ammortizzatore viene definita dai fori della cartuccia e del pompante, mentre nella seconda azione il pompante scorre scorre e si allontana dalla cartuccia e la resistenza è definita dal lume che si crea tra cartuccia e pompante e dai fori del pompante.

A cartuccia 

Questo sistema è caratterizzato dal passaggio obbligato (tramite pompante) dell'olio tramite una finestra tenuta chiusa da una o insieme di rondelle flessibili, le quali determinano la sezione de condotto di passaggio della cartuccia/pompante, dove alle basse velocità di scorrimento dell'olio si avranno sezioni di passaggio piccole, mentre per velocità più alte le sezioni di passaggio sono più elevate.^[3][4]

Questo sistema ha il vantaggio non solo di essere più costante nell'azione del freno idraulico alle diverse velocità di compressione, ma anche di poter regolare l’idraulica in modo più semplice, dove le regolazioni esterne agiscono sul precarico della molla che tiene chiuso il pacchetto di lamelle contro il condotto di passaggio, oppure possono agire sull'apertura di un foro ausiliario che bypassa la cartuccia pompante in una determinata azione (compressione o estensione). L'inconveniente viene dal fatto che risulta difficile e che generalmente non viene ricercata ed ottenuta la variazione dello smorzamento in base alla corsa della sospensione.

A cartuccia a doppia velocità (ammortizzatore selettivo) 

Sono molto simili alle precedenti, ma con l'aggiunta di una valvola supplementare (alte velocità), dove generalmente si ha un deposito supplementare per l'olio (generalmente esterno), questo sistema infatti agisce solo quando le sollecitazioni sono elevate e quindi quando la l'olio è molto compresso, facendo aprire questo secondo passaggio aumentando la sezione di passaggio e riducendo il freno idraulico che risulterebbe eccessivo, ed è per via di questo comportamento che prende il nome di ammortizzatore selettivo.

Questo sistema ha il vantaggio non solo di essere più costante nell'azione del freno idraulico, ma di permette di regolare indipendentemente l’idraulica veloce o lenta (velocità di scorrimento), dove con le regolazioni esterne, che agiscono sul precarico della molla che tiene chiuso il pacchetto di lamelle contro il condotto di passaggio che determina l'area di passaggio, si riesce ad avere un comportamento decisamente più costante e adatto ai diversi tipi d'impiego.^[5]

Ammortizzatori a effetto magnetico 

Questo tipo d'ammortizzatore effettua lo smorzamento tramite lo sfruttamento delle correnti parassite, risultando del tutto simile a un generatore, che prende energia meccanica dalla sospensione, per poi trasformarla in corrente.

Ammortizzatore pneumatico 

Questo tipo d'ammortizzatore utilizza un gas che durante la compressione o estensione deve scorrere attraverso un orifizio, in modo d'assorbire l'energia a cui viene sottoposto, inoltre data l'elasticità del gas, potrebbero essere usati anche come sospensioni.

Ammortizzatore a frizione 

Ammortizzatore a frizione

Questo tipo d'ammortizzatore non è altro che una frizione tenuta più o meno serrata, costituita da dei dischi in cuoio, che vengono premuti tra loro tramite un tirante e ad ogni capo di tale frizione si hanno due braccia, collegata una alla sospensione/ruota, mentre l'altra è collegata al telaio, questo tipo di smorzamento veniva utilizzato sulle vecchie moto e auto, come la Ford Model T.

La caratteristica di quest'ammortizzatore è l'elevata semplicità, che ne permette una semplice e intuitiva regolazione, così come la rigenerazione dei dischi tramite semplice sostituzione, inoltre ha una resistenza molto costante rispetto alle diverse situazioni operative, anche se risulta maggiore poco prima che la sospensione inizi l'escursione, questo perché questa tipologia d'ammortizzatore si basa sull'attrito radente, inoltre la funzione ammortizzante può alterarsi facilmente per via dell'esposizione a agenti esterni e per l'usura precoce a cui è portata ad avere.