Motore, cambio, sospensioni e freni sono gli organi che rendono un’automobile capace di muoversi e di fermarsi. Tutti, però, hanno bisogno di un elemento a cui essere ancorati e che ne raccolga le forze: il telaio. Nelle vetture di serie moderne il telaio separato è quasi scomparso, sostituito dalla scocca portante, una struttura in lamiera nella quale carrozzeria ed elemento resistente coincidono. Al di là della soluzione costruttiva adottata, i compiti richiesti alla struttura sono sempre gli stessi tre.
Il primo è la rigidezza, in particolare quella torsionale, cioè la resistenza della struttura a torcersi attorno al proprio asse longitudinale quando le ruote di uno stesso asse incontrano appoggi diversi. Se la scocca si deforma, le geometrie delle sospensioni variano in modo non previsto dal progettista e la vettura risponde con imprecisione e ritardo ai comandi del guidatore. Una scocca rigida consente invece di tarare molle e ammortizzatori senza che la struttura ne falsi il lavoro. Il secondo compito è la gestione dell’energia d’urto: in caso di incidente le estremità anteriore e posteriore devono deformarsi in modo controllato, dissipando energia cinetica lungo le cosiddette zone a deformazione programmata, mentre la cellula dell’abitacolo deve restare quanto più possibile integra per preservare lo spazio di sopravvivenza degli occupanti. Il terzo è il peso: la scocca è uno dei sottoinsiemi più pesanti del veicolo e ogni chilogrammo risparmiato significa minori consumi, spazi di frenata più brevi e maggiore agilità.
Questi tre obiettivi sono in parte in conflitto fra loro e il modo in cui vengono bilanciati dipende in larga misura dal materiale impiegato. Le famiglie utilizzate oggi sono essenzialmente tre:
- Acciaio
- Alluminio
- Fibra di carbonio
Acciaio
L’acciaio è il materiale con cui è costruita la grande maggioranza delle vetture di serie e le ragioni sono soprattutto industriali. È economico, si presta allo stampaggio di forme complesse a ritmi elevatissimi, si salda con tecnologie ampiamente collaudate come la saldatura a punti e si ricicla con facilità. Il suo limite è la densità, prossima a 7,8 kg/dm³, che lo rende il più pesante fra i tre materiali qui considerati.
Per contenere il peso, da anni le scocche non sono realizzate con un unico tipo di acciaio, bensì con una combinazione di lamiere di caratteristiche diverse. Accanto agli acciai dolci, facilmente imbutibili e destinati ai pannelli esterni, si impiegano gli acciai alto-resistenziali (sigle come HSLA, AHSS e UHSS), che permettono di ridurre lo spessore della lamiera a parità di prestazione strutturale. Nei punti più critici, come montanti, brancardi e traverse dell’abitacolo, si ricorre allo stampaggio a caldo: la lamiera, spesso una lega al boro, viene portata ad alta temperatura, formata e raffreddata rapidamente nello stampo, ottenendo componenti dalla resistenza molto elevata. Il risultato è una cellula difficilmente deformabile, affiancata da longheroni in acciai più duttili che assorbono l’urto collassando.
L’acciaio resta inoltre il materiale più semplice da riparare, perché qualunque carrozzeria è attrezzata per intervenire su di esso. Va però protetto dalla corrosione, tipicamente mediante zincatura, e i componenti stampati a caldo, per la loro durezza, non sono raddrizzabili e vanno sostituiti.
Alluminio
Con una densità di circa 2,7 kg/dm³, l’alluminio pesa poco più di un terzo dell’acciaio. Il risparmio reale, però, non è mai nella stessa proporzione: anche il modulo elastico è circa un terzo di quello dell’acciaio, per cui a parità di rigidezza occorrono spessori e sezioni maggiori. Il vantaggio si ottiene quindi ridisegnando la struttura, non semplicemente sostituendo il materiale.
L’alluminio viene impiegato in tre forme: lamiera stampata per i pannelli, profilati estrusi per i tratti rettilinei della struttura e getti di fusione per i nodi in cui convergono più elementi. È la logica dello space frame, telaio a traliccio adottato per la prima volta su larga scala dall’Audi con la A8. Sulla generazione presentata nel 2017 i componenti in alluminio rappresentano circa il 58% della carrozzeria, che nel complesso ha guadagnato rigidezza torsionale rispetto alla precedente.
Gli svantaggi riguardano soprattutto la lavorazione. L’alluminio si salda con maggiore difficoltà rispetto all’acciaio, per cui le giunzioni sfruttano ampiamente la rivettatura autoperforante e l’incollaggio strutturale con adesivi epossidici. Anche la riparazione richiede officine attrezzate, con aree separate per evitare la contaminazione fra polveri di acciaio e di alluminio, che favorirebbe fenomeni corrosivi. Il costo del materiale e dei processi è quindi superiore, motivo per cui l’alluminio è diffuso soprattutto su vetture premium, sportive e, sempre più spesso, su modelli elettrici.
Fibra di carbonio
Con fibra di carbonio si intende propriamente un materiale composito: fibre di carbonio, estremamente resistenti a trazione, annegate in una matrice di resina epossidica che le tiene in posizione e ne distribuisce i carichi. A differenza dei metalli, il composito è anisotropo: le sue proprietà dipendono dall’orientamento delle fibre, disposte seguendo le direzioni delle sollecitazioni previste. Ne deriva il miglior rapporto fra resistenza e peso disponibile oggi.
La forma più nota è la monoscocca in un solo pezzo, alla quale vengono ancorati motore, sospensioni e strutture d’urto. La MonoCell introdotta da McLaren sulla MP4-12C pesa circa 80 kg; sul fronte della grande serie, la cellula abitacolo in composito della BMW i3, denominata Life Module, si attesta attorno ai 150 kg ed è stata la prima realizzata su scala industriale.
I limiti sono il costo e la gestione del danno. La produzione richiede tempi di polimerizzazione lunghi e una quota rilevante di lavoro manuale, difficilmente compatibile con i volumi di una vettura di serie. Inoltre il composito non si deforma plasticamente come un metallo: assorbe energia sbriciolandosi in modo controllato, funzione affidata a elementi sacrificali dedicati. Dopo un urto il danno può inoltre non essere visibile dall’esterno, per esempio nel caso della delaminazione fra gli strati, e la riparazione strutturale è spesso impraticabile: si sostituisce l’intero elemento.
La costruzione multimateriale
Nella realtà le vetture moderne non appartengono a una sola categoria. La regola progettuale è impiegare il materiale più adatto in ciascuna zona: acciai stampati a caldo dove serve resistenza alla penetrazione, alluminio dove conta il peso, composito nei punti in cui il guadagno giustifica la spesa. La stessa Audi A8 citata in precedenza combina alluminio, acciaio, magnesio e materiale plastico rinforzato con fibra di carbonio.
L’approccio misto introduce però problemi propri: materiali diversi si dilatano in misura diversa al variare della temperatura e il loro contatto diretto può innescare corrosione galvanica. Per questo l’assemblaggio ricorre a combinazioni di incollaggio e giunzioni meccaniche più che alla sola saldatura, con un numero di processi produttivi molto più elevato. Non esiste dunque un materiale migliore in assoluto, ma solo il compromesso più coerente con le prestazioni richieste, i volumi produttivi e il prezzo di listino della vettura.
