Telaio protettivo invisibile. Com’è fatta la piattaforma del veicolo?

Nella storia dell’industria automobilistica, il telaio e la carrozzeria dei veicoli hanno subito radicali modifiche tecniche, sia in termini di materiali che di costruzione degli strutture portanti. In questo articolo, presentiamo uno schema storico del telaio dell’auto, nonché una valutazione delle soluzioni attualmente utilizzate.

Telaio e piattaforma del veicolo

Da un punto di vista ingegneristico, ci sono due modi per costruire il telaio e due modi per collegarlo alla carrozzeria. La differenza principale è dove si trovano gli elementi di supporto.

Il telaio è una struttura portante, il cui compito è quello di unire la scocca, il telaio e il sistema di trasmissione in un tutt’uno, garantendo al tempo stesso un’adeguata rigidità e protezione dai carichi della guida. La cosa più importante è che il telaio svolga tutte queste funzioni separatamente dalla carrozzeria.

Per molti anni, il tipo più comune di telaio è stato il cosiddetto telaio scala composto da due travi longitudinali e traverse. Oggi i telai sono realizzati in una varietà di forme, anche se molte di esse possono essere ricondotte a questa primitiva struttura a scala.

Le travi erano inizialmente in legno o in piastre di acciaio in legno rinforzato, successivamente iniziarono ad essere utilizzate travi laminate (profilati a C, profilati a T, profilati a I e barre).

Attualmente, le travi sono spesso realizzate in lamiera d’acciaio, in quanto ciò consente di modellare liberamente la sezione trasversale dell’elemento lungo la sua lunghezza.

La sezione delle travi longitudinali è solitamente a forma di U, ma sono presenti anche travi a sezione rettangolare chiusa. Le traverse possono essere a “T” o a “L”. Le travi cave forniscono una rigidità torsionale molto maggiore, ma hanno lo svantaggio di essere più complicate da fabbricare e assemblare.

Tuttavia, questa non è la fine dello sviluppo tecnologico. Diamo un’occhiata alle principali tendenze in questo campo.

Il vantaggio principale del cosiddetto struttura longitudinale (fig. A) è che il costruttore ha una libertà relativamente ampia nella progettazione del corpo. La carrozzeria è attaccata al telaio solo in pochi punti, è relativamente flessibile e può essere facilmente staccata. Le limitazioni sono principalmente le dimensioni e il peso e quasi tutte le strutture possono essere progettate. Lo stesso modello di telaio può essere utilizzato anche su autobus e autocarri, modificandolo e migliorandolo se necessario. È – in una parola – un telaio dal design classico.

Un altro tipo è il cosiddetto telaio integrato. In questo caso la carrozzeria è fissata in modo permanente (imbullonata, saldata) al telaio (fig. B). In questo caso, il telaio del veicolo può quindi essere leggermente più leggero, poiché la struttura della carrozzeria si fa carico di parte del carico. Questo tipo di costruzione è utilizzato principalmente su autobus e autovetture. Contrariamente alla struttura longitudinale, la struttura integrata non dà piena libertà nella progettazione del telaio o della carrozzeria. Non è possibile montare nessuna carrozzeria su nessun telaio, ma è possibile ridurre la resistenza dell’aria durante la guida, perché la carrozzeria non richiede un telaio del pavimento separato. Lo svantaggio è che lo spazio sotto il pavimento non può essere utilizzato in modo ottimale negli autobus.

La struttura del telaio del pavimento (fig. C) non ha più una forma classica, anche se il telaio portante svolge ancora un ruolo fondamentale nel trasferimento del carico. Viene utilizzato soprattutto nelle autovetture in cui la carrozzeria non può essere caricata a causa del tetto apribile o dove non è presente una carrozzeria portante (ad esempio nelle auto sportive aperte). Il vantaggio di questo design è che lo spazio tra il livello del pavimento e il bordo inferiore dell’auto è piuttosto ampio, specialmente negli autobus, e quindi è possibile utilizzare elementi portanti leggeri per creare una struttura altamente rigida. Dal punto di vista della sicurezza è più vantaggioso delle soluzioni classiche.

La scocca autoportante della vettura (fig. D) è il risultato di un lavoro di realizzazione di una struttura leggera in cui tutte le sezioni devono trasferire i carichi in modo uguale, nella massima misura. Ciò significa che se, ad esempio, è necessaria una piastra come protezione da fattori esterni (pioggia, vento, freddo, ecc.), dovrebbe aggiungere rigidità e resistenza al corpo. Questo design è disponibile nelle varianti a parete sottile, piastra e guscio.

C’è un chiaro passaggio alle monoscocca nel settore, ma ciò non significa che non ci siano più autovetture con design del telaio più tradizionali. Alcuni SUV e pick-up più grandi sono ancora realizzati con il telaio.

Uso dei materiali

Poiché le autovetture sono diventate sempre più leggere a causa di normative sulle emissioni sempre più severe, hanno dovuto anche fornire una migliore protezione contro potenziali incidenti stradali.

Si è cercato di uscire da questo problema utilizzando materiali appropriati. Tuttavia, un problema comune nell’industria automobilistica è trovare materiali più leggeri e più resistenti possibili.

L’alluminio e le sue leghe sono ampiamente utilizzate nei veicoli moderni: a volte l’intero telaio è realizzato in alluminio, sebbene la loro resistenza rispetto all’acciaio sia incomparabilmente inferiore. Questi materiali devono essere combinati, il che richiede l’uso di tecnologie specializzate come rivettatura, incollaggio, saldatura.

Ci sono state molte scoperte nel campo della scienza dei materiali, ci concentreremo su quella relativa all’acciaio.

Fino a pochi anni fa si affermava che l’acciaio non poteva essere flessibile e resistente allo stesso tempo, indipendentemente dal tipo di acciaio.

Quando si è provato a produrre acciai ad alta resistenza, sono sempre stati rigidi e fragili (vedi acciai MART) e gli acciai più flessibili non hanno mai funzionato bene (ad esempio acciai a basso tenore di carbonio, IF).

Tuttavia, recentemente è stata trovata una soluzione sia di resistenza che di duttilità. Si tratta di acciai DP (Dual Phase), TRIP (Transformation-Induced Plasticity) e TWIP (Twinning-Induced Plasticity).

Il più interessante è l’acciaio TWIP, uno dei materiali chiave del presente e del prossimo futuro.

Gli acciai TWIP hanno una struttura puramente austenitica a temperatura ambiente a causa dell’elevato contenuto di lega di manganese (17-24%). Sono suscettibili di un elevato grado di deformazione, in parte per la struttura austenitica e in parte per la comparsa del cosiddetto cristalli gemellati nella struttura cristallina a causa della deformazione.

Tenendo conto della disposizione dei cristalli gemelli, la struttura dell’acciaio TWIP può essere a grana estremamente fine, a volte anche nano-grana, perché un singolo grano misura anche meno di 100 nanometri, e tale struttura è la più vantaggiosa in termini di resistenza .

La resistenza alla trazione dell’acciaio TWIP può superare i 1000 MPa, ponendo questo materiale all’interno della gamma di utilità industriale.

Oltre alla lega di manganese, gli acciai TWIP contengono anche una lega di alluminio-silicio al 3%. A causa della notevole quantità di leghe, anche il peso specifico degli acciai TWIP è molto inferiore a quello degli acciai convenzionali, il che rappresenta un ulteriore vantaggio in termini di riduzione del peso del veicolo.

L’acciaio TWIP è eccellente per le carrozzerie dei veicoli. Offre le migliori prestazioni nei crash test e fornisce anche una significativa riduzione del peso. Questo gruppo di materiali è un buon esempio di nuovi materiali sviluppati per il beneficio e la sicurezza dell’uomo.