L'ammortizzatore è un dispositivo progettato per attenuare le oscillazioni e rallentare i movimenti di compressione ed estensione delle sospensioni di un macchinario.
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 solidale con uno stelo (cilindro interno) agisce su di esso.
Lo studio sugli ammortizzatori vengono coadiuvati da strumenti digitali, che permettono di velocizzare la comprensione del sistema ammortizzante e dei suoi effetti sui veicoli.
Funzione Gli ammortizzatori devono assorbire il rimbalzo/oscillazione della sospensione o più precisamente nel caso di mezzi di trasporto 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 immagazzinata e utilizzata in seguito.
Utilizzo Gli ammortizzatori sono una parte importante per i camion, 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 di dollari.
Ammortizzatori per veicoli In un veicolo gli ammortizzatori vengono utilizzati per ridurre l'effetto sgradevole che si ha nel viaggiare su terreno accidentato, portando a una migliore qualità di guida, all'aumento del comfort e, cosa importante, a una maggiore stabilità e guidabilità del veicolo. Infatti, senza ammortizzatori, le ruote del veicolo si staccherebbero da terra a causa di qualche deformazione del manto stradale, perderebbero aderenza e, di conseguenza, porterebbero alla perdita del controllo del veicolo.
Per il controllo del movimento delle sospensioni, senza l'assorbimento/freno degli urti/oscillazioni tramite gli ammortizzatori sarebbero necessarie sospensioni più rigide, che a loro volta darebbero una risposta più "dura" quando il veicolo affrontasse una buca o un ostacolo. Dato che la forza della molla che contrasta con la compressione della stessa si trasmette anche al telaio e al guidatore/passeggero, si avrebbe 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.
Ammortizzatore per edifici Quando viene applicato ad una struttura come un edificio o di un ponte può essere parte di una soluzione antisismica, in questa applicazione permette di assorbire l'energia di risonanza, che può causare un movimento eccessivo e l'eventuale cedimento strutturale.
Tipo di controllo/effetto Gli ammortizzatori possono variare in base alla loro funzione di assorbimento degli urti: 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.
Tipologia di ammortizzatore Esistono diversi tipi di ammortizzatori:
Ammortizzatore idraulico L'ammortizzatore idraulico è un dissipatore viscoso ed 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 scorrere 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 anteriore 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.
Struttura Gli ammortizzatori idraulici sono caratterizzati in linea di massima da un fodero e uno stelo, il quale entrando e uscendo da esso modifica il volume interno dell'ammortizzatore, per questo il contenuto dell'ammortizzatore non può essere di solo olio, ma deve essere presente anche un volume comprimibile.
Alcuni elementi dell'ammortizzatore, come la valvola del fodero interno e il gruppo di tenuta (da cui esce lo stelo dall'ammortizzatore) sono realizzati da polveri metalliche (generalmente ferro-grafite-rame) compattate con una pressa e fuse in forno, mentre il pistone mobile viene generalmente realizzato in acciaio, altre parti, come il fodero dell'ammortizzatore possono essere realizzate in vari materiali, generalmente acciaio o alluminio.
Questo volume comprimibile può essere aria o azoto a pressione ambiente o pressurizzato (in questo caso l'ammortizzatore con stelo non passante da entrambi i lati ha la posizione di riposo in completa estensione) o in alternativa un elemento elastico, come una molla elicoidale, per questo il modo in cui viene applicata questa soluzione (utilizzata o meno anche per altre funzioni), gli ammortizzatori possono essere classificati come:
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. Tale schema venne utilizzato ampiamente fino a metà degli anni settanta, mentre successivamente viene utilizzato principalmente per mezzi dalle prestazioni modeste.
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.
Questa soluzione meccanica ha lo svantaggio nell'assenza di una membrana o separatore che tenga separati i gas dai liquidi, costringendo questo tipo di ammortizzatori a lavorare più verticali possibili e con la camera di lavoro del pompante in basso, in quanto altrimenti si possono formare emulsioni aria olio, che vanno ad alterare le prestazioni dell'ammortizzatore, oppure se montato capovolto si ha il dislocamento del volume di gas, che comporta una forte limitazione sulle funzionalità, dove parte della corsa dell'ammortizzatore lavora a vuoto, in quanto in compressione prima il gas deve aumentare di pressione per far si che l'olio oltrepassi la valvola di controllo, mentre in estensione si ha un volume composto anche da vuoto, il quale è dato dal parziale mancato passaggio dell'olio in fase di compressione.
Bitubo con serbatoio separato
Questo tipo d'ammortizzatore è caratterizzato dall'uso di due tubi concentrici in cui scorre il pistone/cartuccia oppure un semplice pompante senza valvola (nel tubo più piccolo) e da un serbatoio contenente gas pressurizzato per compensare i movimenti telescopici; il serbatoio separato si collega ad entrambi i tubi e in questo collegamento doppio sono applicati due registri (singoli o doppi) che regolano il passaggio dell'olio, mentre al lato opposto dei due tubi coassiali si ha un collegamento libero e quindi un passaggio senza restrizioni dell'olio.
Monotubo
Strutturalmente questo tipo d'ammortizzatore è costituito da un tubo in cui scorre il pistone immerso in olio idraulico ed è caratterizzato dall'uso di una camera pneumatica (ad alta pressione) con pressioni maggiori ai 10 bar. tipo corretto Questi due elementi sono separati da un diaframma mobile o pistone flottante, inoltre questo tipo di ammortizzatore non ha limiti d'inclinazione e si ha minore cavitazione grazie appunto alla camera separata e pressurizzata.
Quest'ammortizzatore non si differenzia molto dal bitubo 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 un trasferimento immediato durante le escursioni più rapide, la camera pressurizzata si comprime maggiormente per permettere una maggiore costanza nell'azione dell'ammortizzatore, che se paragonata al bitubo svolge la funzione dell'aria intrappolata nel tubo esterno, ma date le pressioni maggiori non vi è la stretta necessità di una seconda valvola per il controllo della compressione.
Alcuni ammortizzatori monotubo hanno una seconda valvola fissa, atta a controllare più facilmente la fase di compressione ed eventualmente limitare un'espansione eccessivamente rapida della camera pneumatica.