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. 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. 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. 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 ...
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 ...
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per avere ulteriori chiarimenti consultate il sito Rally del PO
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