Sterzatura: non prendiamoci in giro!

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APPROFONDIMENTI
Sterzatura:
non prendiamoci in giro!
di Romano Demaldè
L
o studio della sterzatura dei
veicoli a ruote è stato inizialmente affrontato da Rudolf Ackermann (ma prima
di lui dal tedesco Georg Lankensperger nel 1817), mediante la real izzazione di un quadrilatero di
sterzo a bracci paralleli e poi migliorata dal francese Charles Jeantaud nel 1878 con i bracci del quadrilatero di sterzo concorrenti nella
mezzeria dell’assale posteriore o
poco davanti (vedi riquadro: “Cinematica della sterzatura” a pag. 46).
I costruttori forniscono di solito
per i diversi modelli l’indicazione
dell’angolo massimo di sterzata
(50-52-55-60°) della ruota interna
alla curva e il raggio minimo di
svolta per una data carreggiata e
Gli angoli di sterzata
e i raggi di svolta
dichiarati
dai costruttori
a volte differiscono
da quelli riscontrabili
sul campo.
Vediamoci chiaro!
dimensione degli pneumatici anteriori. Tale valore a volte non corrisponde a quello reale: come si riscontra nelle prove in campo di
M A D , l’angolo di sterzata della
r uota ester na è genera l mente
sempre minore a quello dichiarato
Alcuni costruttori equipaggiano i propri trattori
con sistemi di svolta rapida, identificati con
propri nomi commerciali. Essi sono in grado
di garantire una rapida risposta sterzante con
un minimo movimento del volante. Nella foto,
la soluzione New Holland: il cerchio concentrico
interno al volante permette l’attivazione
del sistema Fast Steer
Raggio di svolta (m)
Raggi di svolta teorici della ruota interna (linea blu)
ed esterna (linea rossa) per diversi angoli di sterzata
(passo trattore 2.672 mm, carreggiata 1.830 mm)
5,8
5,6
5,4
5,2
5
4,8
4,6
4,4
4,2
4
3,8
3,6
3,4
3,2
3
45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
Angolo di sterzata (°)
Angolo
di sterzata
Seno
dell’angolo
Raggio
interno (m)
Raggio
esterno (m)
55°
54°
53°
52°
51°
50°
49°
48°
47°
46°
45°
0,81915
0,80902
0,79864
0,78801
0,77715
0,76604
0,75471
0,74314
0,73135
0,71934
0,70711
3,26
3,30
3,34
3,39
3,43
3,48
3,54
3,59
3,65
3,71
3,77
5,09
5,13
5,17
5,22
5,26
5,31
5,37
5,42
5,48
5,54
5,60
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RAGGI DI SVOLTA TEORICI
PER DIVERSI ANGOLI DI STERZATA
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CINEMATICA DELLA STERZATURA
La corretta sterzatura del trattore 2RM e DT
con ruote direttrici solo anteriori e con assale
posteriore con ruote non sterzanti, prevede che
tutte le ruote rotolino senza slittare anche in
curva attorno allo stesso centro di rotazione.
Ciò significa che tale centro deve trovarsi sul
prolungamento dell’assale posteriore e che
le due ruote anteriori direttrici devono avere
un diverso angolo di sterzata (quello della
ruota interna è maggiore di quello della ruota
esterna).
Con riferimento alla figura in questo riquadro,
dove β e α sono rispettivamente gli angoli di
sterzata della ruota esterna e interna alla curva, “a” la distanza delle articolazioni dei perni a
snodo delle ruote direttrici (in prima approssimazione pari alla carreggiata), “p” il passo ovvero la distanza degli assali, è facile ottenere
con semplici considerazioni trigonometriche i
raggi di sterzata Ri e Re rispettivamente della
ruota interna ed esterna alla curva:
Ri = OD = p/sen α;
Re = OC = p/sen β.
Appare evidente che per ottenere raggi di svolta contenuti occorre avere un passo ridotto,
una carreggiata stretta e grandi angoli di ster-
dal costruttore, mentre la carreggiata e la larghezza degli pneumatici variano a seconda degli allestimenti.
Raggio di sterzata
Il raggio di sterzata dei trattori, che
per defi nizione corrisponde a quello relativo alla ruota direttrice anteriore esterna in curva, rappresenta
un importante elemento di scelta
zata delle ruote direttrici compatibilmente con
la dimensione degli pneumatici e del cofano
motore.
Sui trattori, in generale, per migliorare la manovrabilità sono previsti freni di sterzo indipendenti per bloccare la ruota interna in sterzata. Diversi sistemi di sterzatura sono impiegati sui trattori: i più utilizzati sono quelli a due ruote direttrici anteriori e i sistemi con telaio articolato tipici dei trattori specializzati da vigneto-frutteto a
4RM isodiametriche.
I sistemi di sterzatura con tutte e quattro le
ruote direttrici orientabili a croce o in fase (movimento a granchio) sono impiegati raramente
sui trattori agricoli, mentre trovano applicazione più frequente su alcune macchine (carri
raccolta frutta, raccoglitrici di pomodoro, telehandler) e su alcuni trattori forestali. Tali sistemi di sterzatura aumentano la manovrabilità del mezzo e sono spesso realizzati con soluzioni semplici mediante assali a sterzatura indipendente.
Si può osservare, infine, che con le ruote direttrici anteriori il raggio di svolta per le ruote posteriori è sempre inferiore a quello delle ruote
anteriori; il veicolo pertanto “stringe meglio la
poiché da esso si evince il grado di
manovrabilità.
Secondo le norme SAE (Society
American Engineering), il grado di
sterzata è misurato dal punto centrale della volta al centro del battistrada dello pneumatico anteriore
esterno. Tutti i valori del raggio di
sterzata sono misurati con i limitatori regolati in modo tale da fornire
una luce libera tra ruota e telaio di
p
v
A’
H
A
B’
v
C ve
β
a
D
B
vi
α
b
a
O
Schema
della cinematica
di sterzatura delle ruote
direttrici anteriori
20 mm a fondo corsa, con oscillazione trasversale di 0° dell’assale
anteriore. Se il trattore monta pneumatici di dimensioni diverse, i valori variano in funzione del raggio di
rotolamento e della larghezza di sezione degli pneumatici montati.
Quando la carreggiata anteriore è
quella minima e gli pneumatici sono di tipo largo, l’angolo di sterzata
deve essere ridotto. Il raggio mini-
Sporgenza ricavata sulla scatola del ponte anteriore per
delimitare l’oscillazione massima trasversale dell’assale
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L’inclinazione verticale dei fuselli anteriori permette di migliorare
significativamente la capacità di sterzo, specialmente nelle voltate strette
curva” in retromarcia che in marcia avanti. Caso tipico è quello delle mietitrebbie e delle trinciacaricatrici che invertendo la soluzione costruttiva (ruote anteriori motrici e ruote posteriori direttrici) consentono raggi di svolta più contenuti.
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Y2
Particolare del limitatore di sterzata a bullone e controdado di un assale dotato
di barra d’accoppiamento ruote e frenatura a dischi
Y1
L’angolo di sterzata delle due ruote direttrici
anteriori non è uguale.
Nel disegno sopra è evidente che l’angolo
di sterzata della ruota anteriore interna (Y2)
è maggiore di quello dell’esterna (Y1)
mo di volta, senza l’intervento dei
freni di sterzo, si aggira mediamente intorno a 1,5-1,7 volte il passo nel
caso dei trattori 2RM, e intorno a
2,0-2,3 volte il passo per trattori DT
senza doppia trazione inserita (in
caso di svolte con DT innestata il
raggio di svolta aumenta di circa il
5-8% a causa del trascinamento
delle ruote anteriori).
Tutti gli assali anteriori dei trattori DT sono in grado di realizzare
angoli di sterzo pari almeno a 50°,
anche se sono in commercio trattori equipaggiati con assali con
angoli di sterzo di 55° o addirittura fi no a 60°.
Al fi ne di migliorare ulteriormente
l’angolo di sterzo è stato messo a
punto un particolare tipo di fusello
di sterzo inclinabile all’indietro di
12°: in questo modo la parte superiore della ruota interna si allontana
dalla carrozzeria e consente di utilizzare il massimo angolo di sterzo
dell’assale.
L’assale anteriore è dotato di due limitatori di sterzata, uno a ogni
estremità, che devono essere registrati per assicurare una distanza
minima di almeno 20 mm tra gli
pneumatici e qualsiasi parte del
trattore (generalmente i fianchi del
cofano motore) a fondo corsa a destra e a sinistra, con l’assale completamente articolato.
Va sottolineato che l’angolo di ster-
zata deve essere uguale in entrambe le direzioni.
Questa regolazione, da farsi in funzione del tipo di pneumatici e secondo l’utilizzo, è molto importante, specialmente quando si opera
con carreggiate minime per evitare
interferenze tra pneumatici e cofano motore.
Su ogni lato del trattore è installato
un limitatore di oscillazione.
Ognuno di questi limitatori è costituito da una piastra fissata sul lato
inferiore del supporto dell’assale
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Assali
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GLI INDICI CARATTERISTICI DI STERZO
Angolo d’inclinazione della ruota. L’inclinazione del piano equatoriale della ruota verso l’esterno rispetto alla verticale al terreno prende il nome di “campanatura”
o “Camber”. L’angolo che si forma è generalmente molto piccolo (1-6°) e ha la funzione di
ridurre il braccio del momento resistente alla
–
+
L’angolo di campanatura (Camber)
è l’angolo tra l’asse verticale
dello pneumatico e la verticale del terreno,
misurato in modo che se le ruote sono
inclinate verso l’interno, l’angolo
è negativo, se sono inclinate verso
l’esterno, l’angolo è positivo. Viene
normalmente misurato con la macchina
in assetto di marcia (all’altezza nominale
da terra) e i valori sono tipicamente
compresi tra –0,5 e –3
anteriore mediante due viti a brugola, inserite in modo che non sporgano.
Con le oscillazioni, la piastra d’arresto va a toccare la sporgenza sulla
scatola ponte, impedendone in tal
modo l’ulteriore movimento.
Generalmente l’oscillazione consentita è pari a 8-10°; rimuovendo le
piastre d’arresto, l’oscillazione trasversale del ponte arriva a 12°.
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Tipologie di sterzo
I dispositivi di sterzo standard, generalmente di tipo idrostatico, prevedono la sterzata completa mediante la rotazione del volante (3,54,5 giri) che consente, tramite una
pompa idraulica a ingranaggi, di
regolare il flusso dell’olio per l’attivazione del martinetto idraulico.
Crescente diffusione trovano i si-
rotazione del sistema ruota-mozzo. Tale angolo ha però l’inconveniente di far divergere le
ruote anteriori rispetto al senso di marcia.
Convergenza ruote. Le ruote sterzanti per effetto dell’angolo d’inclinazione del piano
equatoriale dello pneumatico tendono a divergere e a percorrere, invece di una traiettoria rettilinea, una traiettoria circolare intorno a un centro
a terra avente per angolo quello dell’inclinazione
della ruota. Per correggere queste tendenza le
ruote direttrici sono disposte non parallele, ma
leggermente convergenti verso l’avanti.
Quando si modifica la larghezza della carreggiata occorre verificare la convergenza misurando la distanza dal bordo del cerchione destro al bordo del cerchione sinistro. Tale misura va presa all’altezza dei mozzi e dopo aver
spinto il trattore in avanti di mezzo giro delle
ruote anteriori. La differenza tra i valori deve
essere pari a 1-4 mm; in altre parole la misura anteriore deve essere al massimo minore di
4 mm rispetto a quella posteriore. A parte il
leggero aumento dell’usura del battistrada per
strisciamento sul suolo, tale configurazione
comporta una leggera diminuzione degli angoli di sterzata (sia a destra sia a sinistra) per evitare possibili contatti contro i lati posteriori e
anteriori del cofano. L’impostazione del valore
di convergenza si fa avvitando o svitando la
barra filettata di sterzo e allungando o accorciando l’eventuale barra di accoppiamento secondo necessità.
Angolo di inclinazione trasversale del perno del fuso a snodo. Anche
il perno del fuso a snodo è inclinato verso l’interno rispetto alla verticale (opposto all’angolo
d’inclinazione della ruota). Tale inclinazione è
pari a 5-6° e permette una riduzione del mo-
stemi di svolta rapida (Fast Steer,
Turn Steer, Varioactive, Active
Command Steering, Speed Steer,
ecc.) concepiti per fornire all’occorrenza una rapida risposta sterzante, come ad esempio quando si lavora con un caricatore frontale o si
esegue una svolta a fondo campo.
Tali sistemi permettono di sterzare
mento da applicare al volante per vincere il
momento resistente dovuto agli attriti.
Angolo d’incidenza. Per consentire alle ruote di ritornare, dopo una curva, nella posizione di marcia rettilinea, l’asse del perno di
snodo può essere inclinato verso l’avanti in modo da formare con la verticale passante per il
centro ruota un angolo detto di incidenza o “Caster”. A parità d’angolo di sterzatura, il momento che induce il ritorno delle ruote nella direzione di marcia rettilinea sarà tanto maggiore
quanto più grande è l’angolo di incidenza. È intuitivo che all’incremento del momento di ritorno, parimenti aumenta il momento da applicare
al volante per ottenere la sterzatura.
α
d
L’angolo di incidenza (Caster) indica
l’inclinazione in avanti dell’asse
del perno di snodo rispetto alla verticale
passante per il centro della ruota
completamente le ruote verso destra o sinistra, dalla posizione diritta in avanti, con una rotazione del
volante inferiore a 7-8°. Inoltre, la
velocità con cui sono sterzate le
ruote dipende dall’entità di rotazione del volante: se si ruota il volante
di 1° o 2° si ottiene una risposta
sterzante “lenta”, mentre aumen-
I DATI DICHIARATI DAI COSTRUTTORI
PER LE ATTUALI SERIE IN PRODUZIONE SUPERIORI A 300 CV
Serie
Case IH Magnum
Claas Axion 900
Fendt 900 Vario
John Deere 8R
MF 8600
New Holland T8
Valtra S
Passo
(mm)
Carreggiata min/
max (mm)
Angolo max
di sterzata (°)
Raggio minimo
di svolta (mm)
3.055
3.150
3.050
3.020
3.105
3.450
3.105
1.560/2.256
1.805/2.364
1.900/2.250
1.828-2.438
1.862/2.256
1.720/2.230
1.862/2.256
55
50
50
48
55
55
55
5.300
6.800
6.080
6.090
5.110
4.970
5.110
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Comandi Massey Ferguson per il sistema Speed Steer (freccia in alto).
Il potenziometro permette all’operatore di regolare la sensibilità
dello sterzo
tando l’angolo di rotazione del volante si ottiene una risposta sterzante più rapida.
Ai fi ni della sicurezza, questi sistemi (attivabili mediante apposito interruttore) si disabilitano automaticamente quando la velocità di avanzamento supera i 10-15 km/ora.
Per ridurre al minimo il raggio di
svolta, e quindi i relativi tempi di
manovra a fine campo, si agisce
spesso sul pedale del freno della
ruota posteriore interna alla curva.
A questo proposito va detto che alcuni costruttori prevedono anche la
frenatura contemporanea di entrambe le ruote interne (Separate
Brakes).
Di recente introduzione sono anche
gli sterzi di tipo elettronico caratte-
RAGGI MINIMI DI SVOLTA, CON PASSO DI 3.105 MM, PER DIVERSI
PNEUMATICI E CARREGGIATE (TRATTORI MF SERIE 8600)
Pneumatici anteriori
Carreggiata (mm)
Raggio minimo di svolta (mm)
380/85 R 30
480/70 R 30
540/65 R30
600/65 R 28
600/60 R 30
600/70 R 28
620/75 R 30
600/60 R 30
380/85 R 30
540/65 R30
600/65 R 28
480/70 R 30
600/70 R 28
620/75 R 30
380/85 R 34
380/85 R 34
1.862
1.862
1.862
1.862
1.862
1.862
1.862
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
5.011
5.283
5.535
5.752
5.908
5.998
7.207
5.110
5.112
5.112
5.113
5.114
5.380
5.942
5.851
6.289
rizzati da una pompa e valvola elettroidraulica, che alleggeriscono lo
sterzo per ridurre l’affaticamento
dell’operatore, ne regolano automaticamente la posizione in base all’accelerazione laterale del trattore
mantenendo una traiettoria precisa
e modificano il rapporto in base alla velocità.
Infi ne, sono da ricordare i sistemi di
sterzatura stretta adottati da alcuni
costruttori.
Il Bi-Speed Kubota, disponibile per
alcuni modelli, entra in funzione
quando lo pneumatico interno alla curva supera i 35° d’inclinazione
(con velocità massima di 10 km/ora).
Tale sistema fa ruotare gli pneumatici anteriori circa 1,6 volte più rapidamente della velocità standard in
4RM, riducendo del 13-14% il raggio di svolta.
Il sistema di sterzatura stretta Super Steer di New Holland prevede,
oltre alla sterzata normale con angoli di 55°, la rotazione dell’intero
asse anteriore di ulteriori 20-21° attorno al proprio punto mediano.
Romano Demaldè
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MAD • 4 • Aprile 2012
Con il sistema di sterzatura stretta Super Steer di New Holland,
all’angolo di sterzata massimo di 55° si aggiunge anche la rotazione
dell’intero asse anteriore di ulteriori 20-21°. Ciò garantisce evidenti vantaggi
di manovra, ma anche problemi di stabilità nei lavori su terreni in pendenza
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