Bentrovati, come ogni settimana, all’appuntamento del mercoledì con il Tech Corner!
Nell’articolo sulla taratura delle sospensioni, ci siamo occupati di come tarare una sospensione con doppia camera, positiva e negativa. Quest’oggi cercheremo di approfondire l’argomento andandoci ad occupare di come funzionano le sospensioni ad aria, di cosa sia il carico di stacco e a che cosa serva la camera negativa.
Esploso di una forcella Totem Solo Air. Si noti sulla SX la cartuccia Solo Air. Fonte dropmachine.com
L’utilizzo di una camera in pressione come elemento elastico in una sospensione è una soluzione adottata in moltissimi campi, non solo in ambito ciclistico. L’aria infatti, a differenza della molla, ha un peso praticamente nullo e permette di ottenere sospensioni particolarmente leggere: l’unico peso sarà quello delle tenute e degli elementi che costituiscono la camera sotto pressione.
Se per quanto riguarda il risparmio di peso, l’utilizzo della’ria come elemento elastico comporta notevoli vantaggi, per quanto riguarda il comportamento della sospensione ci sono due principali problemi:
Il carico di stacco
Come abbiamo visto il carico di stacco è una forza che noi dobbiamo applicare affinchè la sospensione cominci ad affondare.
Il carico di stacco è dovuto a due fattori:
Bisogna quindi utilizzare un sistema per eliminare questo carico di stacco, ovvero la camera negativa.
La camera negativa.
La camera negativa è una camera ce lavora al contrario della camera principale. In pratica tende a comprimere la forcella invece che farla ristendere. In alcuni casi di forcelle economiche può essere costituita da una molla o da un elastomero, ma generalmente si tratta di una camera d’aria. Infatti poiché la pressione della camera principale varia a seconda della pressione utilizzata (dipendente dal peso del rider), anche la forza di compressione esercitata dalla negativa dovrà variare in maniera proporzionale con la pressione della positiva.
Ai fini di garantire il minore carico di stacco, camera negativa e camera positiva devono avere la stessa pressione. In questo modo la forza F esercitata dall’aria in pressione nella camera positiva è pari alla forza di compressione Fc esercitata dalla negativa. Il sistema si trova in equilibrio e di conseguenza una qualsiasi sollecitazione proveniente dal terreno andrà a comprimere la camera positiva e verrà assorbita dalla sospensione (sempre con l’interferenza dell’attrito delle guarnizioni, ndr).
In commercio esistono due tipologie di sistemi: quelli a doppia valvola in cui l’utilizzatore può tarare in maniera indipendente valvola positiva e negativa e quelli a valvola singola in cui è presente un canale che, a forcella completamente estesa, mette in comunicazione camera positiva e negativa, in modo che a riposo abbiano la stessa pressione.
SISTEMI A DOPPIA VALVOLA.
Come detto prima, questi sistemi permettono all’utilizzatore di tarare in maniera indipendente la camera positiva e quella negativa. Sono presenti due valvole, solitamente quella positiva è posta in alto sulla testa della forcella, quella della camera negativa è posta in basso sul piede del fodero:
Come possiamo vedere dal disegno all’interno dello stelo è ricavata la camera d’aria. Al di sopra di un pistone flottante, collegato con un asta al piede del fodero, è presente la camera positiva, al di sotto quella negativa. Risulta facilmente intuibile come la camera positiva tenda a spingere il pistone verso il basso e quindi a ristendere la sospensione, mentre la camera negativa, spingendo il pistone verso l’alto, tenda a comprimerla.
All’interno dell’asta è ricavato un canale attraverso cui passa l’aria che andrà a gonfiare la camera negativa. Sul piede dell’asta è posizionata la valvola dell’aria negativa che permette all’utente di regolare la pressione della camera negativa.
La valvola dell’aria positiva invece è posta sulla testa dello stelo.
SISTEMI A SINGOLA VALVOLA.
Nei sistemi a singola valvola invece, la pressione della camera negativa viene auto equilibrata dal sistema stesso.
E’ infatti presente un canale, che a sospensione completamente estesa, mette in comunicazione camera positiva e negativa. Gonfiando la camera positiva ad una determinata pressione, anche la negativa si troverà alla medesima pressione:
Il principio di funzionamento è il medesimo del sistema a doppia valvola, tuttavia in questo caso la pressione della negativa sarà sempre uguale a quella della positiva e il carico di stacco minimo (non si può aumentare il carico di stacco).
Il canale di comunicazione è realizzato in modo tale che metta in comunicazione le due camere solo a sospensione completamente estesa. Se le due camere fossero in costante comunicazione l’aria passerebbe da una camera all’altra senza che la positiva si comprima e di conseguenza non si avrebbe alcuna resistenza all’affondamento.
IL FUNZIONAMENTO.
Come abbiamo visto sia nei sistemi a doppia valvola, che nei sistemi a valvola singola il principio di funzionamento è lo stesso.
La camera negativa è solitamente molto piccola a forcella tutta estesa. Durante l’affondamento tuttavia il volume di questa camera aumenta considerevolmente e di conseguenza la pressione nella camera negativa cala in maniera molto netta. In questo modo l’effetto della negativa, di compressione della forcella, si esplica solo nella prima parte dell’escursione.
La sospensione avrà quindi un comportamento progressivo, in quanto l’effetto di compressione esercitato dalla negativa tende gradualmente a ridursi mano a mano che la forcella affonda, tanto che superato un certo valore la camera negativa andrà in depressione, con una pressione inferiore a quella atmosferica.
LO STUCK DOWN.
Se la camera negativa si trova ad una pressione maggiore di quella positiva, la sospensione tende a comprimersi in modo da equilibrare la pressione delle due camere. Comprimendosi la sospensione, il volume della camera negativa aumenta e la pressione diminuisce. Il volume della positiva si riduce e la pressione aumenta. La sospensione si comprime fino a quando le due pressioni si equilibrano.
Lo stuck down è un fenomeno che interessa le sospensioni con valvola singola. In pratica si verifica quando la pressione nella camera negativa è superiore a quella della camera positiva. La sospensione rimane compressa poichè il pistone si trova oltre il canale di comunicazione e non si può di conseguenza riequilibrare la pressione delle due camere a sospensione estesa.
Tale fenomeno solitamente si verifica quando si fa fuoriuscire dell’aria dalla camera positiva con la sospensione compressa. Se si passa ad esempio da 150PSI a 100PSI senza che le due camere siano in comunicazione (sospensione compressa), la camera negativa manterrà una pressione tale che nella configurazione tutta estesa la sua pressione sia di 150PSI. Poiché tuttavia nella positiva sono rimasti solo 100PSI, la configurazione di equilibrio tra le due camere si avrà con la sospensione parzialmente compressa.
Solitamente per risolvere una situazione di stuck down è sufficiente gonfiare la sospensione fino a che la pressione della positiva sia tale che la configurazione di equilibrio positiva-negativa sia a forcella tutta estesa. A questo punto con le camere in comunicazione sarà possibile ridurre la pressione senza andare in stuck down.
La pressione va quindi regolata sempre a bici scarica!
La manutenzione.
I sistemi ad aria devono garantire la tenuta pneumatica delle camere, anche attraverso elementi in movimento. Vengono quindi utilizzate delle guarnizioni e per ridurre il carico di stacco vengono utilizzati degli oli lubrificanti ad alta viscosità all’interno delle camere, in modo che mantengano sempre lubrificati gli o-ring di tenuta.
A differenza dei sistemi a molla, la cui manutenzione è pressoché nulla, i sistemi ad aria, per funzionare con i minori attriti possibili e per garantire la tenuta pneumatica, richiedono una regolare manutenzione.
Per quanto riguarda gli intervalli di manutenzione, fare sempre riferimento a quanto riportato dal costruttore.
Inoltre è pressoché impossibile garantire una totale tenuta pneumatica. E’ quindi importante controllare regolarmente (1-2 volte al mese) la pressione della sospensione per controllare che non ci siano state perdite. Se la sospensione dovesse perdere troppa aria, allora significa che è necessaria una revisione.
Nell’articolo sulla taratura delle sospensioni, ci siamo occupati di come tarare una sospensione con doppia camera, positiva e negativa. Quest’oggi cercheremo di approfondire l’argomento andandoci ad occupare di come funzionano le sospensioni ad aria, di cosa sia il carico di stacco e a che cosa serva la camera negativa.
Esploso di una forcella Totem Solo Air. Si noti sulla SX la cartuccia Solo Air. Fonte dropmachine.com
L’utilizzo di una camera in pressione come elemento elastico in una sospensione è una soluzione adottata in moltissimi campi, non solo in ambito ciclistico. L’aria infatti, a differenza della molla, ha un peso praticamente nullo e permette di ottenere sospensioni particolarmente leggere: l’unico peso sarà quello delle tenute e degli elementi che costituiscono la camera sotto pressione.
Se per quanto riguarda il risparmio di peso, l’utilizzo della’ria come elemento elastico comporta notevoli vantaggi, per quanto riguarda il comportamento della sospensione ci sono due principali problemi:
- La curva di compressione di una camera d’aria non è lineare ma segue un’equazione di secondo ordine. La resistenza offerta dalla camera d’aria all’affondamento aumenta in maniera esponenziale, mentre una molla segue un andamento lineare. Di conseguenza una sospensione ad aria sarà sempre progressiva.
Il grafico rappresenta in ascissa l’escursione utilizzata dalla sospensione. In ordinata invece è rappresentata la forza Fu, ovvero la forza necessaria per comprimere di un infinitesimo la sospensione. Come possiamo vedere la risposta è differente. Grafico qualitativo.
- L’utilizzo dell’aria pone il problema del carico di stacco a sospensione ferma, ovvero è necessario applicare una certa forza prima che la sospensione cominci ad affondare, come vedremo nel paragrafo successivo.
Il grafico rappresenta in ascissa l’escursione utilizzata dalla sospensione. In ordinata invece è rappresentata la forza Fu, ovvero la forza necessaria per comprimere di un infinitesimo la sospensione. Come possiamo vedere la risposta è differente. Grafico qualitativo.
- L’utilizzo dell’aria pone il problema del carico di stacco a sospensione ferma, ovvero è necessario applicare una certa forza prima che la sospensione cominci ad affondare, come vedremo nel paragrafo successivo.
Il carico di stacco
Come abbiamo visto il carico di stacco è una forza che noi dobbiamo applicare affinchè la sospensione cominci ad affondare.
Il carico di stacco è dovuto a due fattori:
- Attrito delle guarnizioni: le guarnizioni in gomma, dovendo scorrere all’interno della camera per determinarne la riduzione di volume e la conseguente compressione dell’aria. Come la fisica, ma anche l’esperienza comune, ci insegna, l’attrito radente di un corpo fermo è maggiore di quello del corpo in movimento.
Ne segue che per mettere in moto l’o-ring o la guarnizione, dobbiamo applicare una certa forza che sia in grado di vincere l’attrito statico gomma-parete e che quindi metta in movimento il pistone. Una volta in movimento si passa all’attrito dinamico che è nettamente più basso e quindi meno influente.
Inoltre con l'aumentare delel velocità, il coefficiente di attrito di un o-ring si riduce, fino a raggiungere un minimo e poi crescere con l'aumentare della velocità (si veda il grafico precedente). Di conseguenza se pompando da ferma una forcella ad aria può risultare spugnosa (velocità bassa) non è detto che nell'uso (velocità di movimento alte) lo sia altrettanto.
- Natura della camera in pressione. In gas all’interno della camera è in pressione, ovvero esercita una forza uniforme F e costante su tutte le pareti del contenitore, in particolare verso il pistone. Risulta quindi evidente che per comprimere il pistone, dobbiamo applicare una forza Fc che sia pari o superiore a quella esercitata dall’aria in pressione.
Facciamo un piccolo esempio. Supponiamo di avere la nostra camera gonfiata alla pressione di 130PSI che equivalgono a ca 92N/cm2. Supponendo che la nostra camera cilindrica abbia un diametro di 3 cm, la superficie del pistone sarà di π* (1,5^2)=7,07cm2. La forza F esercitata dal gas sul pistone sarà di: 92*7,07=650N.
Per comprimere la nostra camera in pressione dovremo quindi applicare una forza Fc superiore a 650N. Se applichiamo una forza di 200N la camera non si comprimerà, se invece applichiamo una Fc di 800N, 650N verranno spesi per riequilibrare la spinta del gas sul pistone e solo 150N verranno spesi per comprimere la camera.
Risulta quindi evidente che una sospensione di questo tipo, che richiede ca 65kg di carico prima di comprimersi, è altamente inefficiente. Se l’attrito dovuto alle guarnizioni è piccolo è quindi non troppo influente ai fini dell’utilizzo, il carico di stacco dovuto alla camera in pressione è troppo elevato per un corretto funzionamento.
Ne segue che per mettere in moto l’o-ring o la guarnizione, dobbiamo applicare una certa forza che sia in grado di vincere l’attrito statico gomma-parete e che quindi metta in movimento il pistone. Una volta in movimento si passa all’attrito dinamico che è nettamente più basso e quindi meno influente.
Inoltre con l'aumentare delel velocità, il coefficiente di attrito di un o-ring si riduce, fino a raggiungere un minimo e poi crescere con l'aumentare della velocità (si veda il grafico precedente). Di conseguenza se pompando da ferma una forcella ad aria può risultare spugnosa (velocità bassa) non è detto che nell'uso (velocità di movimento alte) lo sia altrettanto.
- Natura della camera in pressione. In gas all’interno della camera è in pressione, ovvero esercita una forza uniforme F e costante su tutte le pareti del contenitore, in particolare verso il pistone. Risulta quindi evidente che per comprimere il pistone, dobbiamo applicare una forza Fc che sia pari o superiore a quella esercitata dall’aria in pressione.
Facciamo un piccolo esempio. Supponiamo di avere la nostra camera gonfiata alla pressione di 130PSI che equivalgono a ca 92N/cm2. Supponendo che la nostra camera cilindrica abbia un diametro di 3 cm, la superficie del pistone sarà di π* (1,5^2)=7,07cm2. La forza F esercitata dal gas sul pistone sarà di: 92*7,07=650N.
Per comprimere la nostra camera in pressione dovremo quindi applicare una forza Fc superiore a 650N. Se applichiamo una forza di 200N la camera non si comprimerà, se invece applichiamo una Fc di 800N, 650N verranno spesi per riequilibrare la spinta del gas sul pistone e solo 150N verranno spesi per comprimere la camera.
Bisogna quindi utilizzare un sistema per eliminare questo carico di stacco, ovvero la camera negativa.
La camera negativa.
La camera negativa è una camera ce lavora al contrario della camera principale. In pratica tende a comprimere la forcella invece che farla ristendere. In alcuni casi di forcelle economiche può essere costituita da una molla o da un elastomero, ma generalmente si tratta di una camera d’aria. Infatti poiché la pressione della camera principale varia a seconda della pressione utilizzata (dipendente dal peso del rider), anche la forza di compressione esercitata dalla negativa dovrà variare in maniera proporzionale con la pressione della positiva.
Ai fini di garantire il minore carico di stacco, camera negativa e camera positiva devono avere la stessa pressione. In questo modo la forza F esercitata dall’aria in pressione nella camera positiva è pari alla forza di compressione Fc esercitata dalla negativa. Il sistema si trova in equilibrio e di conseguenza una qualsiasi sollecitazione proveniente dal terreno andrà a comprimere la camera positiva e verrà assorbita dalla sospensione (sempre con l’interferenza dell’attrito delle guarnizioni, ndr).
In commercio esistono due tipologie di sistemi: quelli a doppia valvola in cui l’utilizzatore può tarare in maniera indipendente valvola positiva e negativa e quelli a valvola singola in cui è presente un canale che, a forcella completamente estesa, mette in comunicazione camera positiva e negativa, in modo che a riposo abbiano la stessa pressione.
SISTEMI A DOPPIA VALVOLA.
Come detto prima, questi sistemi permettono all’utilizzatore di tarare in maniera indipendente la camera positiva e quella negativa. Sono presenti due valvole, solitamente quella positiva è posta in alto sulla testa della forcella, quella della camera negativa è posta in basso sul piede del fodero:
Come possiamo vedere dal disegno all’interno dello stelo è ricavata la camera d’aria. Al di sopra di un pistone flottante, collegato con un asta al piede del fodero, è presente la camera positiva, al di sotto quella negativa. Risulta facilmente intuibile come la camera positiva tenda a spingere il pistone verso il basso e quindi a ristendere la sospensione, mentre la camera negativa, spingendo il pistone verso l’alto, tenda a comprimerla.
All’interno dell’asta è ricavato un canale attraverso cui passa l’aria che andrà a gonfiare la camera negativa. Sul piede dell’asta è posizionata la valvola dell’aria negativa che permette all’utente di regolare la pressione della camera negativa.
La valvola dell’aria positiva invece è posta sulla testa dello stelo.
SISTEMI A SINGOLA VALVOLA.
Nei sistemi a singola valvola invece, la pressione della camera negativa viene auto equilibrata dal sistema stesso.
E’ infatti presente un canale, che a sospensione completamente estesa, mette in comunicazione camera positiva e negativa. Gonfiando la camera positiva ad una determinata pressione, anche la negativa si troverà alla medesima pressione:
Il principio di funzionamento è il medesimo del sistema a doppia valvola, tuttavia in questo caso la pressione della negativa sarà sempre uguale a quella della positiva e il carico di stacco minimo (non si può aumentare il carico di stacco).
Il canale di comunicazione è realizzato in modo tale che metta in comunicazione le due camere solo a sospensione completamente estesa. Se le due camere fossero in costante comunicazione l’aria passerebbe da una camera all’altra senza che la positiva si comprima e di conseguenza non si avrebbe alcuna resistenza all’affondamento.
IL FUNZIONAMENTO.
Come abbiamo visto sia nei sistemi a doppia valvola, che nei sistemi a valvola singola il principio di funzionamento è lo stesso.
La camera negativa è solitamente molto piccola a forcella tutta estesa. Durante l’affondamento tuttavia il volume di questa camera aumenta considerevolmente e di conseguenza la pressione nella camera negativa cala in maniera molto netta. In questo modo l’effetto della negativa, di compressione della forcella, si esplica solo nella prima parte dell’escursione.
La sospensione avrà quindi un comportamento progressivo, in quanto l’effetto di compressione esercitato dalla negativa tende gradualmente a ridursi mano a mano che la forcella affonda, tanto che superato un certo valore la camera negativa andrà in depressione, con una pressione inferiore a quella atmosferica.
LO STUCK DOWN.
Se la camera negativa si trova ad una pressione maggiore di quella positiva, la sospensione tende a comprimersi in modo da equilibrare la pressione delle due camere. Comprimendosi la sospensione, il volume della camera negativa aumenta e la pressione diminuisce. Il volume della positiva si riduce e la pressione aumenta. La sospensione si comprime fino a quando le due pressioni si equilibrano.
Lo stuck down è un fenomeno che interessa le sospensioni con valvola singola. In pratica si verifica quando la pressione nella camera negativa è superiore a quella della camera positiva. La sospensione rimane compressa poichè il pistone si trova oltre il canale di comunicazione e non si può di conseguenza riequilibrare la pressione delle due camere a sospensione estesa.
Tale fenomeno solitamente si verifica quando si fa fuoriuscire dell’aria dalla camera positiva con la sospensione compressa. Se si passa ad esempio da 150PSI a 100PSI senza che le due camere siano in comunicazione (sospensione compressa), la camera negativa manterrà una pressione tale che nella configurazione tutta estesa la sua pressione sia di 150PSI. Poiché tuttavia nella positiva sono rimasti solo 100PSI, la configurazione di equilibrio tra le due camere si avrà con la sospensione parzialmente compressa.
Solitamente per risolvere una situazione di stuck down è sufficiente gonfiare la sospensione fino a che la pressione della positiva sia tale che la configurazione di equilibrio positiva-negativa sia a forcella tutta estesa. A questo punto con le camere in comunicazione sarà possibile ridurre la pressione senza andare in stuck down.
La pressione va quindi regolata sempre a bici scarica!
La manutenzione.
I sistemi ad aria devono garantire la tenuta pneumatica delle camere, anche attraverso elementi in movimento. Vengono quindi utilizzate delle guarnizioni e per ridurre il carico di stacco vengono utilizzati degli oli lubrificanti ad alta viscosità all’interno delle camere, in modo che mantengano sempre lubrificati gli o-ring di tenuta.
A differenza dei sistemi a molla, la cui manutenzione è pressoché nulla, i sistemi ad aria, per funzionare con i minori attriti possibili e per garantire la tenuta pneumatica, richiedono una regolare manutenzione.
Per quanto riguarda gli intervalli di manutenzione, fare sempre riferimento a quanto riportato dal costruttore.
Inoltre è pressoché impossibile garantire una totale tenuta pneumatica. E’ quindi importante controllare regolarmente (1-2 volte al mese) la pressione della sospensione per controllare che non ci siano state perdite. Se la sospensione dovesse perdere troppa aria, allora significa che è necessaria una revisione.
), quello che conta è proprio il post di BeerMaster: c'è talmente poca aria nelle forcelle che la variazione di pressione indotta dalla variazione di temperatura è ininfluente rispetto ad altri fattori 
