Sterzatura cinematica dei veicoli: Cos'è e come si ottiene?

Nella progettazione dei veicoli pesanti si cerca di rispettare la cosiddetta condizione di sterzatura cinematica o di Ackermann.
Considerando (per semplificare la trattazione) uno schema di veicolo a quattro ruote (con le 2 anteriori sterzate) vado a calcolare tale condizione:

Siano i due angoli in figura, gli angoli di sterzatura delle 2 ruote anteriori, a la carreggiata, b il passo, C il centro d’istantanea rotazione del telaio del veicolo rispetto al suolo, R il raggio di curvatura della traiettoria del punto medio dell’assale posteriore.

Da considerazioni geometriche ricavo che:

Sfruttando la definizione di cotangente e manipolando le espressioni precedenti, ottengo la condizione cercata: Essa prende il nome di condizione di sterzatura cinematica o di Ackermann. Nel rispetto di questa condizione il veicolo avanza in curva in condizioni di puro rotolamento tra ruote e suolo. Ciò consente nella realtà di avere una minore usura delle gomme.             Ciò risulta particolarmente utile per i veicoli pesanti, dotati di molte ruote, che applicano notevoli carichi sul suolo.

Assale rigido sterzante:

Per rispettare la condizione di Ackermann si può pensare di utilizzarere un'assale rigido anteriore e ruote posteriori non sterzanti. Tale soluzione non viene quasi mai impiegata perchè richiederebbe zone troppo ampie per la sterzatura delle ruote.

Veicoli con più di due assi:

In questo tipo di veicoli si applica più volte la condizione di sterzatura cinematica, avendo scelto l'angolo di sterzo effettivo di una ruota e trovando gli altri angoli di conseguenza.

Applicazioni:

Un esempio di meccanismo che rispetti tale condizione è il meccanismo di sterzo di Bourlet (che analizzeremo in dettaglio in un altro articolo):

Ve ne sono altri, che invece approssimano tale condizione; esempi di quest’ultimi, sono i meccanismi di Jeantaud e Panhard (rispettivamente a sx e dx in figura): Essi si ottengono, superando il problema di lubrificazione e pulizia della coppia prismatica (tra asta traslante e telaio del veicolo) del meccanismo di Bourlet, sostituendola con coppie rotoidali di più facile impiego.

Connessa alla condizione di sterzatura cinematica (o di Ackermann), vi è la percentuale di Ackermann:

I pedici 1 e 2 indicano rispettivamente la ruota interna e quella esterna alla curva. Se si rispetta la condizione di Ackerman tale percentuale è 100, altrimenti, se assume valori diversi, almeno una ruota striscia sul suolo.

Queste descritte sono solo alcune considerazioni preliminari che possono essere rispettate a seconda dell’utilizzo del veicolo e delle caratteristiche predominanti che gli si vogliono attribuire.