Sospensioni con Smorzatori Idraulici Progressivi: Funzionamento e Vantaggi

Il Marchio Citroën è conosciuto per la competenza tecnologica in tema di collegamento al suolo: da 98 anni il confort delle sospensioni fa parte ormai del DNA del Marchio. Negli anni i clienti hanno apprezzato il confort Citroën, che non somiglia a nessun altro sul mercato.

Grazie a un’azione congiunta fra KYB e PSA, è stato sviluppato un concetto di sospensione basato su ammortizzatori passivi, in grado di unire alte prestazioni e costi competitive; questo sistema è stato applicato alla Citroën C5 Aircross.

Il Principio di Funzionamento degli Smorzatori Idraulici Progressivi

Nella fase di sviluppo di questa sospensione sono stati depositati 20 brevetti. Il principio di funzionamento è semplice. Se le compressioni e le estensioni sono leggere, molla e ammortizzatore controllano insieme i movimenti verticali, senza bisogno di sollecitare gli smorzatori idraulici. In presenza di compressioni ed estensioni importanti invece, molla e ammortizzatore lavorano insieme agli smorzatori idraulici di compressione o estensione, per rallentare il movimento in modo progressivo, evitando i bruschi arresti a fine corsa.

Il segreto di questo concetto rivoluzionario è un sistema di doppi fermi idraulici. La corsa complessiva dell’ammortizzatore può essere divisa in tre parti differenziate per le quali l’ammortizzatore fornirà caratteristiche diverse. La prima parte corrisponde alla posizione intorno al centro della corsa. In quest’area di lavoro la forza smorzante è fornita dal convenzionale sistema di valvole nel pistone e dalla valvola di base.

Questa suddivisione permette alle valvole principali dell’ammortizzatore di focalizzarsi sul comfort e affida ai fermi idraulici la responsabilità di gestire situazioni più esigenti quando si presentano. Perché questo avvenga in modo efficiente, il fermo di rimbalzo e quello di compressione devono entrambi essere in grado di fornire un sufficiente assorbimento dell’energia e avere una risposta molto flessibile.

Sfide nello Sviluppo del Sistema a Doppi Fermi Idraulici

Le sfide affrontate da KYB durante lo sviluppo di questo sistema a doppi fermi idraulici sono state enormi. Un punto importante è stato mantenere indipendente la principale modalità smorzante dell’ammortizzatore rispetto ai componenti che fanno parte dei fermi idraulici. Questo obiettivo è stato raggiunto con calcoli idraulici e tramite analisi agli elementi finiti (FEA) verificati poi da prove su strada.

Un altro requisito essenziale era la progettazione delle diverse component con una robustezza sufficiente a far fronte alle elevate richieste del veicolo anche nelle condizioni peggiori. Per raggiungere questo obiettivo, KYB ha valutato diverse opzioni in termini di materiali e diverse geometrie prima di raggiungere la soluzione ottimale.

Funzionamento Specifico dei Fermi di Rimbalzo e Compressione

Il principio di funzionamento del fermo di rimbalzo si basa su un segmento in plastica rinforzata piazzato nel tubo interno dell’ammortizzatore attraverso una deformazione che definisce l’area di lavoro del fermo idraulico di rimbalzo stesso. Quando la guarnizione di rimbalzo entra in contatto con il segmento, si crea una nuova camera ad olio, il che vuol dire che l’olio è in grado di uscire da questa camera solo attraverso l’apertura del segmento. Questo flusso controllato genera una forza idraulica che può essere modificata regolando l’apertura del segmento.

Per il fermo di compressione idraulica si usa un principio simile. Una nuova camera ad olio si crea tramite l’interazione di un componente polimerico posizionato nel pistone dell’ammortizzatore e di un tubo metallico fissato a pressione nell’assemblaggio della valvola di base. La parte in polimero è costruita con alcune aperture per il passaggio dell’olio, il che permette di regolare la potenza fornita dal sistema. Per ottenere la potenza massima desiderata, una valvola addizionale pre-compressa è inserita nel sub-assemblaggio della valvola di base.

KYB è stata in grado di fornire un sistema che unisce la robustezza a un’ampia gamma di regolazioni, il che fornisce al veicolo uno smorzamento leggero quando è richiesto comfort e con una manovrabilità eccellente quando è necessario il controllo. È importante sottolineare che queste caratteristiche sono ottenute con un sistema passivo, che assicura un’imbattibile tempo di risposta e costi competitivi.

Vantaggi degli Ammortizzatori Idraulici

Gli ammortizzatori idraulici presentano molti vantaggi rispetto ad altri tipi. Garantiscono prestazioni costanti e affidabili a qualsiasi velocità. La loro curva di smorzamento ben controllata ottimizza la forza esercitata per un'azione di ammortizzamento costante, progressiva o inversa. Essa controlla anche le forze di smorzamento per minimizzare l'effetto di rimbalzo. Grazie alla loro valvola interna, gli ammortizzatori idraulici sono meno sensibili alla temperatura rispetto agli ammortizzatori a frizione. Hanno un'aspettativa di vita più lunga rispetto a un pistone a gas. Il nostro ammortizzatore crea un ammortizzamento affidabile a qualsiasi velocità di chiusura.

Garantiamo la massima qualità dei nostri ammortizzatori. Li produciamo con alta precisione e con le nostre attrezzature di assemblaggio a garanzia della qualità. La tecnologia di assemblaggio automatizzata riduce al minimo le variazioni nelle prestazioni. Garantiamo la qualità su grandi volumi di produzione con controlli di qualità integrati al 100%.

Gli ammortizzatori Titus rallentano il movimento lineare o rotatorio prima di raggiungere una posizione di riposo. Convertendo l'energia cinetica in energia termica, gli ammortizzatori idraulici riducono gli urti e riducono le ampiezze di oscillazione. In un ammortizzatore lineare, l'energia cinetica dell'oggetto in movimento viene trasferita attraverso l'asta di acciaio alla valvola nel cilindro di ammortizzamento. Il fluido idraulico viene spinto attraverso la valvola e il calore viene generato.

L'elevato coefficiente dell'ammortizzatore Titus assicura un ammortamento efficiente a qualsiasi velocità di chiusura, anche molto lente. Possiamo facilmente adattare la forza di ammortizzamento alle vostre esigenze.

Sospensioni Citroën: Una Lunga Storia di Innovazione

Le sospensioni Citroën hanno fatto la storia! Anche sulle vetture moderne non si scherza in fatto comfort grazie agli smorzatori idraulici progressivi (Progressive Hydraulic Cushions) che ritroviamo sulla C4 Cactus e sul SUV Citroën C5 Aircross: si tratta di soluzioni tecniche destinate ad essere applicate a tutti i veicoli della gamma. Queste sospensioni rivoluzionarie consentono un comfort totale e un effetto “tappeto volante” in auto.

La tecnologia delle sospensioni Citroën utilizza smorzatori idraulici progressivi nasce dall’esperienza della casa francese nel mondo del motorsport, dove, grazie a una migliore escursione utile, gli smorzatori idraulici offrono un assorbimento degli urti più efficace, in particolare nel momento dell’impatto al suolo in seguito a un salto.

Nella fase di sviluppo di questa sospensione, sono stati depositati 20 brevetti. Il principio di funzionamento è semplice: mentre le sospensioni tradizionali sono composte da un ammortizzatore, da una molla e da uno smorzatore meccanico, le sospensioni con smorzatori idraulici progressivi (Progressive Hydraulic Cushions) aggiungono due smorzatori idraulici alle due estremità: uno per l’estensione e l’altro per la compressione. In questo modo, la sospensione lavora in due tempi secondo le sollecitazioni.

In caso di compressioni ed estensioni leggere, molla e ammortizzatore controllano insieme i movimenti verticali senza bisogno di sollecitare gli smorzatori idraulici. La presenza di questi smorzatori ha permesso agli ingegneri di offrire maggiore libertà di escursione al veicolo, con un effetto tappeto volante che dà la sensazione che la vettura sorvoli le imperfezioni del fondo stradale.

In caso di compressioni ed estensioni importanti, molla e ammortizzatore lavorano insieme agli smorzatori idraulici di compressione o estensione rallentando i movimenti in modo progressivo ed evitando bruschi arresti di fine corsa. Rispetto ad a un classico fine corsa meccanico, che assorbe energia ma ne restituisce una parte, lo smorzatore idraulico assorbe e dissipa tale energia, eliminando il fenomeno di “rebound”.

Più le automobili diventavano veloci, più complessi diventavano i problemi da risolvere per rendere sempre più adeguate le sospensioni. Per questo, ogni progresso nella storia dell’automobile e nella storia della velocità è strettamente legato alle sospensioni.

Quando alla fine dell’800 appare l’automobile, sarà da subito equipaggiata con molle metalliche che, grazie alle oscillazioni permesse dalle sospensioni a grande escursione, garantiranno un ottimo comfort di viaggio, ma presto arriverà un nuovo problema: quando la velocità dei veicoli a motore arrivò a superare quella di quelli ippotrainati, le oscillazioni garantite dalle sospensioni a balestre e molle metalliche si riveleranno tali da rendere pericolosa la guida ed impossibile il mantenimento della traiettoria. La svolta arrivò nel 1934, con l’introduzione della Traction Avant, dotata di sospensione a barre di torsione: le molle erano rimpiazzate da barre che correvano sotto alla vettura e che, flettendosi sul loro asse, non richiedevano lo spazio che invece era necessario ai sistemi dell’epoca con molle di grandi dimensioni.

La Traction Avant idropneumatica montava la nuova sospensione solo al retrotreno e costituiva un “banco di prova” per quanto sarebbe arrivato da lì a un anno, ovvero la rivoluzionaria DS19 che montava le idropneumatiche sulle quattro ruote, garantendo ai suoi occupanti il massimo in termini di comfort e tenuta di strada: nella sospensione idropneumatica le molle metalliche sono sostituite da cuscini di gas, separati da un liquido da una membrana elastica.

Dopo la DS, dal 1970 la sospensione idropneumatica è stata adottata su Citroën SM, sulla “media” GS, poi su CX, BX, XM, Xantia, C5 e C6; la tecnologia idropneumatica si è evoluta durante i suoi oltre sessant’anni di esistenza, irrigidendosi con il crescere delle prestazioni dei veicoli cui era applicata e diventando idrattiva nel 1988, con il prototipo Activa e poi, di serie, nel 1989 sull’ammiraglia XM.

Le sospensioni con Smorzatori Idraulici Progressivi (Progressive Hydraulic Cushions) innovazione Citroën destinata ad essere applicata a tutti i veicoli della gamma, sono il risultato della competenza di Citroën in termini di collegamento al suolo.

A partire dal 2017, Citroën ha introdotto nella propria gamma le sospensioni con Progressive Hydraulic Cushions® (PHC), tecnologia coperta da ben 20 brevetti internazionali. Si tratta di una sospensione che prevede due fine corsa idraulici, uno in compressione e uno in estensione, con un particolare sistema di smorzamento progressivo. Ciò significa che la forza di intervento dei tamponi idraulici varia a seconda dell’escursione verticale della ruota e non solo a seconda della velocità di azionamento.

Man mano che l’ammortizzatore si avvicina a fine corsa, in compressione o in estensione, lo smorzamento idraulico dell’ammortizzatore andrà progressivamente ad aumentare. L’aumento dello smorzamento è ottenuto tramite una progressiva occlusione dei fori di passaggio dell’olio all’interno dell’ammortizzatore.

Grazie a questa tecnologia, Citroën può adottare sui propri veicoli molle più morbide, con una frequenza di risonanza che passa da 1,2 ÷1,4 Hz di una sospensione convenzionale a circa 1 Hz ÷ 1,1 Hz, a vantaggio di un elevato comfort sulle piccole asperità.

Analisi Dettagliata del Sistema Progressive Hydraulic Cushions®

In figura 1 è raffigurato lo schema della sospensione con tamponi di fine corsa progressivi, oggetto del brevetto Progressive Hydraulic Cushions® di Citroën. Il sistema fa uno step in avanti rispetto alla classica sospensione con tamponi idraulici, introducendo il concetto di progressività di intervento.

Innanzitutto la molla principale è una molla a flessibilità variabile (17b) composta da tre sezioni (17b1, 17b2 e 17b3). Per piccole escursioni, la molla presenta una costante di rigidezza inferiore rispetto a una molla tradizionale, consentendo la riduzione della frequenza di risonanza verticale della carrozzeria del veicolo, che passa da 1,2 ÷1,4 Hz a circa 1 Hz ÷ 1,1 Hz. Inoltre, il valore di smorzamento dell’ammortizzatore è più basso.

Sono presenti due fine corsa meccanici (7b - tampone poliuretanico e 16b - molla di contrasto) e due fine corsa idraulici (15b e 9b). Per compensare la ridotta rigidezza dalla molla di sospensione 17b, il sistema di sospensione idraulica presenta un tampone poliuretanico (7b) più corto, mentre il tampone idraulico (9b) di compressione ha un’ampiezza di movimento più elevata, compresa tra 40 e 60 mm.

Inoltre, la struttura del cilindro (10b) comprende nella sua parete una pluralità di fori radiali passanti (13), che consentono l’ingresso o l’uscita del fluido idraulico dalla camera di compressione (4) del cilindro dell’ammortizzatore. Pertanto, man mano che il cilindro (10b) del tampone di fine corsa (9b) si sposta attorno al corrispondente pistone (11b) verso la parete di fondo inferiore del cilindro dell’ammortizzatore, un numero crescente di fori passanti (13) viene occluso, riducendo così la sezione complessiva dei fori passanti, in modo che la forza di smorzamento esercitata dal tampone idraulico aumenti, per una velocità di spostamento costante.

Per movimenti di bassa e media energia, la sezione complessiva di fori passanti (13) attraverso il cilindro (10b) è sufficientemente elevata da garantire una frenata dolce del pistone dell’ammortizzatore. Per deflessioni di maggiore entità, la sezione complessiva di passaggio diminuisce, perché un numero crescente di fori passanti (13) viene otturato dal pistone (11b): questo garantisce una più brusca frenatura del pistone dell’ammortizzatore, per proteggere la scocca e il telaio del veicolo. Per compressioni ancora maggiori, il tampone poliuretanico (7b) viene compresso e partecipa al rinforzo della frenatura del pistone dell’ammortizzatore.

Anche il fine corsa di estensione è più lungo. Il pistone flottante dell’ammortizzatore idraulico in estensione (15b) presenta un’ampiezza di movimento attorno allo stelo dell’ammortizzatore compresa tra 40 e 80 mm. L’allungamento dell’ampiezza di movimento del fine corsa in estensione (15b) consente di ridurre la rigidezza della molla (16b), in modo che contribuisca poco alla frenatura del pistone dell’ammortizzatore in estensione.

Inoltre, la parte superiore della camera di espansione (5) del cilindro dell’ammortizzatore comprende una parete (2b) di forma troncoconica, la cui sezione trasversale decresce in direzione superiore verso la parete (8) dell’ammortizzatore. Pertanto, la forza esercitata dal tampone idraulico (15b) aumenta molto gradualmente con la corsa del pistone flottante (15b). Man mano che il pistone flottante si sposta verso la parete terminale superiore del cilindro dell’ammortizzatore lungo la parete troncoconica (2b), l’asola e lo spazio anulare (23b) del pistone flottante (15b) si chiudono gradualmente, riducendo così la sezione di passaggio del fluido idraulico.

Il grafico di Figura 2 è utile per comprendere meglio le soglie di intervento dei sistemi di tamponatura idraulici e meccanici. La scala verticale rappresenta la corsa in millimetri del pistone dell’ammortizzatore, durante la corsa della ruota del veicolo. In alto ci sono i movimenti di compressione rispetto alla posizione di riferimento, mentre in basso i valori negativi rappresentano le estensioni. La corsa zero (zero millimetri) sull’asse delle ascisse corrisponde invece alla situazione in cui la sospensione non è soggetta ad alcuna forza diversa da quella esercitata dalla massa del veicolo.

Nel caso in cui l’ammortizzatore sia inclinato rispetto alla verticale, le deflessioni della ruota non corrispondono a quelle dell’ammortizzatore ma sono ovviamente maggiori. Dal grafico di Figura 2 si può notare come le soglie di intervento dei fine corsa idraulici siano molto vicine al livello zero, quando la sospensione è caricata solo della massa propria del veicolo. Significa che intervengono già per corse molto ridotte dell’ammortizzatore.

Inoltre, si evidenziano rampe di intervento graduali, cioè con curve verticali nel diagramma forza-corsa. Già con corse di compressione di 10 mm (parte alta del grafico) viene provocato il movimento del cilindro (10b) attorno al suo corrispondente pistone del tampone idraulico di compressione (9b). Il numero di fori passanti attraverso il cilindro (10b) diminuisce man mano che la corsa aumenta, aumentando progressivamente lo smorzamento.

Inoltre, è ben visibile come il tampone poliuretanico (7b) intervenga soltanto per escursioni molto elevate in compressione, oltre a 50 mm. Lo smorzamento aggiuntivo esercitato dall’arresto idraulico consente di controllare la velocità e l’ampiezza delle deflessioni di media ed alta energia, senza tuttavia avvertire la discontinuità generata dal contatto di un arresto meccanico.

Paul Ernest Mary Magès nasce nel 1908 ad Aussois, nella regione della Savoia. Dopo il diploma come disegnatore è assunto al centro studi Citroën, dove fa rapidamente carriera. Mentre l’ingegner Lefebvre si preoccupa della ripartizione delle masse, del baricentro e delle problematiche connesse alla trazione anteriore, Magès viene incaricato di capire come dosare la frenata in funzione della massa per quello che sarà il Type-H, il primo veicolo commerciale moderno.

In quel momento Magès ha un’intuizione: se la sospensione potesse “leggere” il carico, potrebbe dosare la frenata. Ma la sospensione come può (siamo nel 1939) misurare la massa gravante su un assale? Altro problema: come coniugare la tenuta di strada con la flessibilità? Il gioco degli equilibri, da che mondo è mondo, si basa sul bilanciamento tra comfort e tenuta: se la sospensione è troppo elastica, rimbalzerà sugli ostacoli, generando pendolarità e facendo scartare la vettura di lato sulle asperità.

Ed ecco, all’improvviso, la soluzione: una nuova sospensione dove l’elemento elastico non è più costituito dalle molle metalliche ma da un cuscino d’aria, morbido, collegato alle ruote da un liquido, incomprimibile. I test cominciano sulla TPV, ma per il costo degli elementi il progetto è rimodulato sulla successiva VGD.

Va detto che la prima Citroën di serie a montare le sospensioni idropneumatiche è una versione speciale della Traction Avant, la 15Six H (come Hydropneumatique) lanciata nel 1954, con sospensione posteriore idraulica e autolivellante. L’idrattiva II, seconda generazione della sospensione Citroën a controllo elettronico, accompagnerà il lancio di Xantia, la “media” che rimpiazzerà BX dal 1993.

Il principio di funzionamento è concettualmente semplice. La sospensione lavora quindi in due tempi, secondo le sollecitazioni. Se le compressioni e le estensioni sono leggere, molla e ammortizzatore controllano insieme i movimenti verticali, senza bisogno di sollecitare gli smorzatori idraulici. In presenza di compressioni ed estensioni importanti, invece, molla e ammortizzatore lavorano insieme agli smorzatori idraulici di compressione o estensione, per rallentare il movimento in modo progressivo, evitando i bruschi arresti a fine corsa.

La nuova Citroën C5 Aircross è stata lanciata nel 2017; KYB è stata selezionata come fornitore di ammortizzatori di primo equipaggiamento. Le sospensioni attive stanno diventando una realtà nelle vetture passeggeri e le soluzioni semi-attive stanno conquistando nuovi segmenti.

KYB è uno dei maggiori produttori mondiali di ammortizzatori di primo impianto per l’industria automobilistica, con un’auto su cinque fra quelle che escono dalle fabbriche di tutto il mondo che monta ammortizzatori KYB come standard.

Confronto tra sospensioni tradizionali e sospensioni con Smorzatori Idraulici Progressivi

La seguente tabella riassume le principali differenze tra le sospensioni tradizionali e quelle dotate di Smorzatori Idraulici Progressivi (PHC):

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