Ciclismo - Preparazione al Ciclismo

Lo sterzo
di Mosè Necchio

A "Filetto" o "Headset" ? A gabbia di sfere o su cuscinetti ? A sfere o a rullini ? ... E, di che dimensioni ? Stiamo parlando della serie sterzo: quella perfetta sconosciuta che, seppur poco sotto i riflettori delle pubblicità, fa bella mostra di se nella parte anteriore della nostra "Specialissima". I quesiti di apertura sintetizzano gli aspetti tecnologici coinvolti in quello che di fatto è uno dei componenti che supportano le sollecitazioni trasmesse sia dalla ruota anteriore che da noi stessi durante l’utilizzo più o meno intensivo del mezzo. sterzo1.gif (5175 bytes)Da un altro punto di vista, cioè da utente che deve adottarne uno per la propria bicicletta, costituisce, nell’ordine, il ragionamento logico che dovrà portare ad adottare una tecnologia o un’altra ... quindi svenire leggendo il conto del nostro meccanico di fiducia dopo il montaggio. In realtà esiste un’ulteriore domanda: di costruzione nazionale oppure straniera ? Scherzi e nazionalismi a parte, la scelta di una serie sterzo non è delle più semplici: richiede un po’ di riflessioni dettate principalmente: dalla solita disponibilità del nostro portafoglio, da quanto tempo desideriamo investire in manutenzione e per ultimo, ma non meno importante, se desideriamo un componente affidabile nel tempo o che dopo un po’ richiede una doverosa e necessaria sostituzione.

I componenti

Una serie sterzo tradizionale, cioè a filetto, nella sua semplicità è composta da pochi componenti; dalle figure possiamo riconoscere: le calotte, le piste di rotolamento rettificate dove, ovviamente, rotolano un certo numero di sfere, quindi qualche ralla per tenere il tutto in posizione. Completano la lista dei componenti le necessarie protezioni per la sporcizia ad esempio sollevata dalla ruota anteriore. Nel caso della serie filettata, questa verrà calettata, mantenuta in posizione e regolata attraverso ghiera filettata e contro dado. Seppur simili, ralla superiore e inferiore solitamente differiscono per numero e diametro delle sfere adottate. Per la parte superiore vengono generalmente adottate sfere del diametro di 5/32 di pollice (3.96 mm), mentre per l’inferiore il diametro è di 6/32 di pollice (4.76 mm). In questo caso, a parità di diametro delle piste di rotolamento, il numero di sfere per la calotta inferiore è leggermente inferiore: generalmente 2 o 3 in meno. L’adozione di sfere di diametro maggiore è dettato da esigenze di carattere meccanico come verrà illustrato di seguito. Sfere e piste di rotolamento sono realizzate in acciaio fortemente legato sottoposto a trattamenti termici al fine di conferire loro caratteristiche di resistenza meccanica e durezza superficiale molto elevate. Particolare attenzione viene rivolta alle sfere che, almeno per la stessa ralla, devono essere rigorosamente tutte uguali in diametro e resistenza (grado di precisione). Il particolare che mantiene le sfere in posizione ed evita che le stesse si tocchino è denominata "Gabbia" questa è nella maggior parte dei casi è realizzata in materiale plastico oppure, in vecchi modelli, in acciaio dolce. La dimensione con cui viene definita la serie sterzo dipende principalmente dal diametro del tubo forcella. Questo può essere da 1" (25.4 mm), misura adottata generalmente sulle biciclette da strada, oppure da 1" 1/8 (28.57 mm) o 1" ¼ (31.75 mm) adottati entrambi prevalentemente sulle MTB.

Le forze in gioco

La a lato illustra schematicamente l’azione della forza F generata durante il contatto con le asperità del terreno e le relative reazioni in corrispondenza delle calotte. Dallo schema, attraverso un ragionamento semplicemente intuitivo, possiamo dedurre l’andamento delle sollecitazioni sulla serie sterzo. sterzo2.gif (8435 bytes)Immaginiamo di disporre di un telaio il cui angolo di sterzo "alfa" è di 90°; in questo caso la forza F agirà, trascurando l’avancorsa, lungo l’asse della forcella stessa comprimendo la ralla inferiore localizzata in B e scaricando la superiore localizzata in A. Immaginando il caso opposto, cioè con "alfa" pari a 0°, la forza F agisce sui supporti e sulla forcella sollecitandoli a flessione; questi si opporranno alla sollecitazione attraverso l’azione del braccio resistente A .Per tutti gli angoli intermedi da 0° a 90°, la forza F genererà delle componenti sui supporti che tenderanno a comprimere e a flettere la ralla B e a scaricare e flettere in senso opposto a B la ralla in A. Semplice no ?!. In conclusione possiamo affermare che più "alfa" tende ad essere "chiuso" e più aumenteranno le sollecitazioni trasversali sui supporti che tenderanno a scardinarli dalle loro sedi mentre diminuirà la componente di compressione, l’esatto contrario di quanto avviene con "alfa" che tende ad "aprirsi" dove diminuiranno le prime ed aumenterà la componente che tende a comprimere. Il risultato pratico è che nel primo caso la serie sterzo tenderà ad allentarsi (necessità di più frequente registrazione del gioco) mentre nel secondo la tendenza è di "segnare" le piste di rotolamento ed in particolare la pista inferiore: ecco svelato il mistero della presenza di sfere di diametro maggiore, o addirittura di rulli, nella ralla inferiore. Tuttavia, seppur l’azione resistente alla forza F è quasi completamente gravante sulla calotta inferiore, la superiore svolge la necessaria azione contrastante alle sollecitazioni a flessione e sopporta parte del peso e delle sollecitazioni impresse dal ciclista.

I corpi volventi

La distribuzione delle forze sulla serie sterzo, ed in generale su qualsiasi cuscinetto volvente sotto carico, dipende dalle deformazioni elastiche nei punti di contatto dei singoli corpi volventi (sfere o rulli). Il calcolo di questa distribuzione del carico e del massimo applicabile ai corpi volventi esercita un influsso determinante sul calcolo del fattore di carico del cuscinetto e quindi della sua durata nel tempo. Nel contatto rotolante sotto carico si produce, a causa dell’"Appiattimento", una superficie di contatto la cui grandezza e sollecitazione si calcolano secondo le equazioni definite da Hertz, un famoso scienziato vissuto nel secolo scorso. Hertz, attraverso i suoi studi ha formulato teorie e definito equazioni che costituiscono la base delle teorie sull’elasticità dei materiali. In particolare, questi ha studiato le sollecitazioni derivanti dal contatto di corpi curvi e le deformazioni subite dai corpi stessi. Per tradurre dall’Ingegnerese le deduzioni di Hertz dobbiamo fare un piccolo sforzo ed immaginare di disporre una sfera di materiale omogeneo e di appoggiarla su di un piano dello stesso materiale. Senza ombra di dubbio alcuni potrebbero affermare che questa trasmette la sua forza peso attraverso un punto: il punto di contatto con il piano. Questo tuttavia è vero in parte. sterzo3.gif (6511 bytes)In realtà, se due corpi vengono compressi l’uno contro l’altro questi si deformano secondo modalità variabili in funzione dei materiali, della forza di compressione e della curvatura. In altre parole, se ad una sfera (o un corpo curvo in generale) viene applicata una forza che la comprime su di un altro corpo: piano, cilindro, ecc. questa trasmetterà la sollecitazione attraverso una superficie di contatto che nel caso di sfera contro piano risulta essere un’area circolare, mentre nel caso di sfera a contatto con una superficie a volta, il tipo di contatto esistente nei cuscinetti, la superficie di contatto è un’ellisse. La stessa regola vale per i cuscinetti a rulli: cilindrici o conici che siano, questi non "Toccheranno" su di una linea, bensì su di un’area che potremmo approssimare ad un rettangolo con gli spigoli raccordati. Tutto ciò anche se sfere, rulli e piste di rotolamento sono realizzate con materiali resistentissimi. Se così non fosse la concentrazione delle sollecitazioni applicate su di un solo punto infinitesimo porterebbe a tensioni sul materiale elevatissime insopportabili anche dal materiale più duro e tenace. Attenzione, desidero precisare che l’ordine di grandezza delle deformazione, all’interno del carico massimo ammissibile dal cuscinetto, è solo di qualche centesimo di millimetro ... Tornando alla nostra serie sterzo, le sfere rotolano su piste ricavate sulle calotte la cui sezione è un arco di cerchio. Questa forma, infatti, consente di contenere al minimo indispensabile deformazioni e tensioni (sforzi) delle sfere. Da un punto di vista pratico possiamo affermare che: più la curvatura della pista si avvicina a quella della sfera che deve rotolare e meglio verranno distribuiti sforzi e deformazioni. Tuttavia questo non è sempre possibile ad esempio a causa delle ridotte dimensioni delle parti componenti o dai processi produttivi tendenti ad economicizzare il più possibile le lavorazioni meccaniche.

Il montaggio

Il calettamento di una serie sterzo richiede preparazione tecnica ed attrezzi speciali. In effetti telaio e forcella, entrambi coinvolti nell’operazione, dovranno essere preparati attraverso lavorazioni meccaniche realizzate con particolari utensili dal nostro meccanico di fiducia. Questi consentiranno di assicurare la perfetta complanarità ed alesaggio delle sedi per le calotte, condizioni indispensabili per un ottimale funzionamento del sistema, nonché l’ortogonalità tra asse della forcella e riscontro posto alla base del cannotto. Successivamente le calotte vengono "Piantate" all’interno del piantone ricavato sul telaio attraverso un sistema a vite prestando attenzione a non invertire la superiore con l’inferiore ... In un secondo tempo viene calettata sulla forcella il cono di riscontro. A questo punto si può procedere con l’assemblaggio di forcella, ralle e telaio lubrificando abbondantemente il tutto con grasso idrorepellente rimuovendo le eccedenze a montaggio ultimato. La taratura dell’insieme è una fase molto delicata: da questa operazione dipende sia la durata della serie sterzo ma soprattutto la guidabilità del mezzo. Nella serie sterzo a vite, il precarico sui corpi volventi viene effettuato agendo sulla ghiera filettata quindi bloccata nella posizione opportuna attraverso il controdado. È consigliabile controllare gioco e lubrificazione con frequenza e regolarità se il mezzo viene utilizzato su strade sconnesse e polverose. Da un punto di vista pratico, se la serie sterzo ha gioco, premendo su entrambi i freni ed oscillando leggermente la bicicletta avanti ed indietro possiamo percepire il caratteristico "tac-tac" tipico dello scorrimento esistente tra ralle e piste. Al contrario, se la serie è "Piantata", ruotando il manubrio avvertiremmo un’insolita resistenza spesso accompagnata da una rotazione a scatti dello stesso; in altre parole le sfere sono eccessivamente precaricate (leggi appiattite).

Non è solo una questione di peso ...

sterzo4.gif (4898 bytes)Tempo fa, alla comparsa dei primi sistemi "Ahead-set" (letteralmente "Senza testa"), ho letto un articolo che decantava questo sistema fornendo come principale motivazione all’adozione il fattore peso: "Questo più quello più quell’altro pesano meno di questo più quello più quell’altro ...". Punti di vista da rispettare, ovviamente, tuttavia personalmente ritengo che il beneficio fondamentale introdotto da questo sistema è da ricercarsi altrove. Morfologicamente questi si differisce dalla serie sterzo tradizionale per l’assenza del bloccaggio attraverso il collaudato sistema dado contro-dado, dall’assenza della filettatura sia dalla calotta superiore che dal tubo forcella; in sintesi: di tutto quanto necessario all’ "Impacchettamento" e alla taratura del vecchio sistema. Sull’ antagonista, questa operazione viene generalmente demandata all’azione congiunta dell’attacco manubrio e di una sorta di "Espander" denominato anche "Ragno" dagli addetti ai lavori. Quest’ultimo viene infilato all’interno del tubo forcella quindi successivamente bloccato in posizione attraverso i più svariati sistemi allo scopo di disporre di un punto fisso all’interno del tubo forcella su cui avvitare la vite di precarico. A precarico avvenuto, il tubo forcella, che sarà leggermente più lungo rispetto l’equivalente tradizionale, verrà utilizzato per mantenere il tutto in posizione opportunamente bloccato dall’attacco manubrio. L’impiego del sistema Ahead-set consente di eliminare una delle cause di rottura del tubo forcella: la zona filettata, consentendo così anche l’impiego sia di tubi di lega leggera che di forcelle totalmente realizzate in materiali compositi. La riduzione di peso è una ben lieta conseguenza ... 

E i cuscinetti ...

Ultima novità, se tale vogliamo considerarla, è la crescente offerta di serie sterzo su cuscinetti ermetici. Il vantaggio principale risiede nella maggior durata ed affidabilità nel tempo attraverso l’adozione di veri e propri cuscinetti a sfera (o rulli) completamente stagni. In pratica all’interno delle calotte non vengono ricavate le piste di rotolamento delle ralle, bensì l’alloggiamento per questi cuscinetti speciali. In effetti la causa principale di deterioramento della serie sterzo, oltre all’impiego sconsiderato del mezzo e la cattiva regolazione del precarico, è la presenza di sporcizia tra i corpi volventi. Purtroppo, come accade per il movimento centrale, il peggior nemico dei cuscinetti è l’assenza o l’eccessiva pulizia: dove per "Eccessiva" intendo l’utilizzo esasperato dell’idropulitrice. Le serie sterzo tradizionali, purtroppo, presentano delle barriere all’ingresso di corpi estranei non molto efficaci: avete notato quanta polvere mista a grasso è presente in corrispondenza della calotta inferiore ? I cuscinetti tendono a ridurre, se non ad eliminare, quella parte di manutenzione costituita dalla costante e sistematica pulizia e lubrificazione di ralle e piste di rotolamento. La nota dolente, tuttavia, è come al solito il prezzo ...

Copyright Mosè Necchio 1998
necchiom@yahoo.com
per avere ulteriori chiarimenti consultate il  sito Rally del PO

 

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