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La presenza dell’idraulica (che a tutti gli effetti si comporta come uno smorzatore) è di fondamentale importanza per un giusto funzionamento dell’ammortizzatore.
Elemento elastico ed idraulica non possono fare a meno l’uno dell’altro, infatti se alle sospensioni di una bici togliessimo le componenti smorzanti lasciando solo quelle elastiche la bici risulterebbe assolutamente ingovernabile a causa delle notevolissime oscillazioni. Se accadesse il contrario la bici si affloscerebbe sulle sospensioni, e non sarebbe in grado di assorbire le asperità.
Lo smorzatore
Fra elemento elastico e smorzatore vi è una grande differenza: il primo è efficace sia staticamente che dinamicamente, mentre il secondo lo è solo dinamicamente.
Lo smorzatore sfrutta lo smorzamento, ovvero quel fenomeno fisico attraverso il quale tramite dissipazione di energia si ottiene l’ attenuazione di un fenomeno ondulatorio.
Lo smorzamento quindi trova origine dall’attrito e può manifestarsi in due forme:
1 – Smorzamento coulombiano: quello indotto dalla forza di attrito generata da due solidi in moto relativo fra loro.
2 – Smorzamento viscoso: come il nome fa intuire, è quello che si genera durante il moto delle particelle di un fluido;
Lo smorzamento coulombiano è efficace alle frequenze medio-basse, mentre quello viscoso a quelle medio-alte.
L’ ammortizzatore di una bici lavora sempre a frequenze medio-alte; infatti se la ruota urta contro un ostacolo la sollecitazione è intensa ma di breve durata (frequenza alta), mentre seguendo le ondulazioni del terreno, la sollecitazione è più graduale (frequenza media).
Lo smorzamento inoltre è richiesto sia durante la fase di compressione che durante quella di espansione dell’ammortizzatore ed in entrambi i casi agisce in direzione opposta a quella dell’elemento elastico.
Se si attuano tutti e due i tipi di smorzamento l’ammortizzatore è detto “a doppio effetto”.
Durante la fase di espansione lo smorzamento serve per evitare che la bici continui ad oscillare a causa dell’ elemento elastico, mentre nella fase di compressione serve per aumentare la progressività della sospensione, utilizzando il principio secondo il quale la forza prodotta dallo smorzamento viscoso è sensibile alla velocità con cui si applica la forza eccitatrice.
Infatti se la sollecitazione avviene ad alta frequenza, l’elevata velocità porta ad un’elevata forza di smorzamento che viene in aiuto alla forza di reazione dell’elemento elastico. Se invece la frequenza delle oscillazioni è bassa, lo smorzamento genera una forza di piccola intensità, per cui la sollecitazione è assorbita praticamente solo dall’elemento elastico. Questo comportamento è tipico solo dell’elemento smorzante: l’elemento elastico, infatti, produce una forza dipendente unicamente allo spostamento indotto dall’eccitazione (direttamente proporzionale per la molla ed esponenziale per l’aria) e quindi non legata alla velocità.
Il funzionamento dello smorzatore
La forza di smorzamento all’interno di una sospensione si ottiene utilizzando uno smorzatore idraulico, nel quale la dissipazione si attua facendo passare un olio attraverso una serie di fori.
A seconda del tipo di moto che il fluido assume durante il passaggio attraverso queste valvole si ottengono vari tipi di resistenze:
1 – Moto laminare, (le particelle del fluido tendono a muoversi parallelamente a sè stesse), la resistenza è proporzionale alla velocità.
2 – Moto turbolento (le particelle del fluido hanno un moto disordinato), la resistenza è proporzionale al quadrato della velocità.
Le valvole sono realizzate tramite lamelle anulari e sono necessarie perché se i fori grossi fossero sempre chiusi, la sola area lasciata dai fori piccoli non sarebbe sufficiente a garantire il corretto deflusso dell’olio, per cui lo smorzatore si comporterebbe come un elemento rigido; viceversa se gli orifizi di grosso diametro fossero sempre aperti, alle piccole sollecitazioni l’area a disposizione per il passaggio dell’olio sarebbe eccessiva, eliminando così di fatto la funzione smorzante. Grazie alle valvole, invece, i fori grandi si aprono automaticamente quando la pressione dell’olio supera un certo valore, cioè quando la forza eccitatrice raggiunge una certa intensità.
L’idraulica nella sua totalità
Non tratterò le Base Valve, ovvero quelle valvole poste sul condotto che collega la camera CC con il serbatoio in quanto ogni marca adotta diverse tecnologie e soluzioni costruttive e ai fini della nostra spiegazione per il momento hanno un ruolo marginale. Tratterò solo ammortizzatori “monotubo” in quanto sono i più diffusi sul mercato delle mtb. Ammortizzatori “twin-tube” (es. Cane Creek Double Barrel) hanno un funzionamento leggermente diverso .
Esempi
Vediamo quindi come si presenta la parte idraulica all’interno di un ammortizzatore.
Ammortizzatore a molla con serbatoio esterno
All’interno del corpo dell’ammortizzatore vi è un tubo riempito di olio (blu) e aria o azoto (rosa), la separazione dei due elementi è permessa da un pistone flottante a tenuta (internal floating piston IFP) che può essere posizionato o nel serbatoio esterno (quando presente) o nel corpo principale (quando non è presente il serbatoio esterno). L’IFP fungerà sempre da chiusura superiore alla Camera di Compressione, quindi esso avrà una faccia a contatto con il gas e l’altra con l’olio proveniente dalla Camera di Compressione.
L’altro pistone, totalmente immerso nell’olio e fissato sull’asta avente come estremità l’occhiello di fissaggio al telaio, divide il tubo pieno d’olio in due camere, la “Compression Chamber CC” (camera posta dalla parte del pistone interessata dalla corsa di compressione) e la “Rebound Chamber RC” (camera posta dalla parte del pistone interessata dalla corsa di estensione).
Vediamo altri esempi di disposizione dell’idraulica in base all’elemento elastico adottato, alla presenza o meno di serbatoio esterno e alla sua collocazione (vedremo succesivamente i pro ed i contro di ogni design).
Ammortizzatore a molla senza serbatoio esterno
Rispetto all’ammortizzatore con serbatoio esterno, l’ IFP si trova all’interno del corpo principale.
Ammortizzatore ad aria con serbatoio esterno solidale al corpo principale
Rispetto ai precedenti ammortizzatori la CC e la RC sono invertite di posizione ma sarà sempre la CC a comunicare con l’IFP tramite il passaggio interno all’asta, indipendente da quello della Mid Valve Piston Bleeding Hole.
Ammortizzatore ad aria senza serbatoio esterno
Posizione delle camere come nel precedente ammortizzatore ma IFP interna allo stelo.
Ammortizzatore ad aria con serbatoio esterno solidale allo stelo
Posizione delle camere uguale agli altri due ammortizzatori ad aria ma IFP nel serbatioio esterno direttamente comunicante con la CC attraverso passaggio ricavato nella testa dello stelo.
Le valvole
Panoramica generale
Vediamo innanzitutto nel dettaglio quali sono i passaggi tra le due camere (CC e RC).
Il passaggio principale è quello attraverso i fori del pistone (1 ,2: FIGURA 7) ma vi è un altro passaggio, ovvero attraverso l’interno dell’asta , essendo questa internamente forata e comunicando con la CC dal foro in testa e con la RC attraverso un foro posto sul corpo dell’asta.
Il flusso d’olio attraverso questi due passaggi è regolato da due sistemi diversi ma che si basano sullo stesso principio, ridurre o aumentare le sezioni di passaggio dell’olio.
Mid valve piston bleeding hole
Per ciò che riguarda il passaggio all’interno dell’asta forata, il flusso è regolato dall’alzarsi o abbassarsi di un “ago” a testa tronco-conica (3: FIGURA 7) . Una volta che la testa dell’ago raggiunge il restringimento del foro di comunicazione tra le due camere, alzandosi ulteriormente andrà ad ostruirlo un po’ alla volta, finchè lo tapperà completamente impedendo il passaggio dell’olio attraverso l’asta forata. L’altezza dell’ago può essere facilmente regolata manualmente e velocemente grazie alla rotella di Rebound. Più si gira la rotella in senso di chiusura del Rebound, più l’ago sale. Questa valvola è chiamata anche “Mid Valve Piston Bleeding Hole”.
Mid valve
Il passaggio dell’olio attraverso il pistone invece è regolato dalla presenza di due pile di dischetti metallici (detti lamelle) a diametro decrescente, a formare due piramidi; una piramide sopra il pistone (4 :FIGURA 7) ed una sotto (5 :FIGURA 7) , vengono chiamate anche “Mid Valve”.
Il numero di lamelle, il loro diametro, lo spessore, il materiale, l’ordine di posizionamento nella piramide e la forza con cui vengono “impacchettate” influirà in maniera diretta sulla quantità di olio che potrà passare attraverso la Mid Valve.
N.B: Talvolta vi è un terzo passaggio di olio tra le due camere, esso consiste in un foro sul pistone che mette in costante comunicazione la CC e la RC per aumentare di una quota fissa la sezione del Bleeding Hole. Agisce in ambedue i versi del flusso d’olio ma sarebbe da evitare, in quanto riduce il range d’azione del Bleeding Hole.
Analisi del funzionamento delle valvole
Vediamo di capire nel dettaglio con degli schemini, come funziona il passaggio di olio tra le camere CC e RC.
LSC
Partiamo con analizzare una compressione lenta (Low Speed Compression), situazione tipica durante la percorrenza di una curva, nel susseguirsi di dossi piuttosto lunghi e dovuta all’effetto della pedalata.
Supponiamo che la BH sia aperta.
Il pistone si alza lentamente, ma affinchè ciò sia possibile la riduzione di volume dovuta all’occupazione di volume provocato dalla penetrazione dell’asta in RC dovrà essere bilanciata da una riduzione di volume in camera di espansione gas, altrimenti il pistone non potrebbe alzarsi, in quanto l’olio è incomprimibile.
Il pistone spingendo verso la CC provocherà un aumento di pressione dell’olio in questa camera ed una diminuzione di pressione in RC, l’olio quindi sarà spinto lentamente verso la RC.
L’olio per defluire in RC sceglierà la via che opporrà la minore resistenza al flusso, ovvero la BH in quanto aperta.
Il moto sarà di tipo laminare e la resistenza nel foro sarà inferiore a quella necessaria ad alzare di un infinitesimo la prima lamella nella piramide lamellare delle compressioni (quella azzurra). In questo regime la resistenza aumenta linearmente con la velocità.
HSC
All’aumentare della velocità di compressione (High Speed Compression), situazione tipica durante l’incontro della ruota con ostacoli che provocano una compressione brusca, vi è un rapido aumento di pressione in CC. L’olio fluisce nella BH a velocità molto alta ed entra in regime turbolento. La resistenza offerta dalla BH aumenterà in maniera esponenziale con la velocità. Quando la resistenza uguaglierà il precarico della prima lamella della Mid Valve Compression, essa si alzerà facendo passare l’olio attraverso il foro nel pistone.
Più la pressione in CC sarà alta (a seguito dell’aumento di resistenza dovuto ad un aumento di velocità) e più le lamelle verranno sollevate offrendo un area di passaggio più ampia.
Per questo motivo la valvola lamellare è considerata una valvola Speed Sensitive.
Compression, BH closed
Se la BH risultasse chiusa l’olio sia nel caso di HSC che LSC non avendo passaggi “liberi” raggiungerebbe molto più rapidamente la pressione necessaria ad aprire la Mid Valve Compression, , fluendo in RC esclusivamente attraverso quest’ultima.
Ritorno
Analizziamo ora il ritorno, situazione conseguente ad una qualsiasi tipo di compressione.
Raggiunta la velocità 0, ovvero quella associata alla massima compressione dopo un urto, lo stelo si riestenderà grazie al contributo dell’elemento elastico caricato di energia durante la compressione. L’accelerazione di riestensione dell’elemento elastico libero dall’idraulica sarà tanto più alta quanto più velocemente verrà tolto il vincolo esterno, facciamo un esempio.
Immaginiamo una molla compressa di X sotto il peso di una carico, se facessimo scomparire istantaneamente il carico la molla si riestenderebbe con un accelerazione molto alta, se invece facessimo diminuire piano piano il peso del carico, l’accelerazione di riestensione della molla sarebbe molto bassa, nulla (se v2-v1 =0) o addirittura negativa se togliessimo sempre meno peso a parità di intervallo di tempo (v2-v1<0).
Durante una riestensione lenta (FIGURA 11) dell’elemento elastico, l’olio fluisce dalla RC alla CC attraverso la HB (se aperta), mentre durante una riestensione più veloce (FIGURA 12) dell’elemento elastico, analogamente come per le HSC, il moto passa da laminare a turbolento e l’olio raggiunge la pressione necessaria a vincere il precarico della Mid Valve Rebound
Ritorno, BH closed
Il ragionamento è analogo a quello riguardante la compressione con BH chiusa.
Considerazioni finali sulla Mid Valve piston bleeding hole (ritorno)
Abbiamo visto che il BH, quando aperto, è impegnato sia in compressione che in estensione, l’olio transita attraverso di esso in entrambe le direzioni. Ma allora come mai la regolazione dell’ago corrisponde alla regolazione del rebound?
Come abbiamo visto, la regolazione della Mid Valve Piston Bleeding Hole influisce sia sulle compressioni (ed in particolare sulle LSC) che sul rebound, ma su di esso ha un effetto decisamente più marcato.
La motivazione risiede nel fatto che la piramide lamellare delle compressioni (azzurra) è molto più morbida rispetto quella del ritorno (quella rosa). A parità di pressione, la portata di olio che fluisce tramite il foro nel pistone impegnato in compressione sarà quindi decisamente maggiore alla la portata di olio che fluisce tramite il foro impegnato in estensione. La variazione di portata all’interno del BH avrà quindi un effetto molto più marcato sulla portata totale che transita dalla RC alla CC.
La regolazione della Mid Valve Piston Bleeding Hole può essere quindi giustamente associata alla regolazione del rebound, ma non dimentichiamoci che questa regolazione ha un effetto non trascurabile anche sulle Low Speed Compression.
Le lamelle
In base a quale criterio viene assemblata la piramide? Quali sono le modifiche possibili alle piramide delle lamelle?
Modificando la piramide delle lamelle si va a modificare il tuning dell’ammortizzatore, si nota infatti sugli ammortizzatori l’adesivo di FIGURA 14, esso sta ad indicare il tuning di fabbrica per la compressione e per il rebound.
Le lamelle sono dei dischetti (quasi sempre) in acciaio armonico di diverso spessore e diametro, vengono
sovrapposte l’una sull’altra, come già detto in precedenza in modo da creare una piramide, questo per distribuire in maniera ottimale (progressiva) la reazione di forza al flusso d’olio che transita tra uscita del foro del pistone e lamella.
Normalmente le più grandi, una delle quali appoggia sul pistone, sono le più vicine al pistone. Più sono grandi di diametro più sono sensibili flettendo più facilmente. Le altre lamelle diventano mano a mano sempre più piccole e meno sensibili, flettendo solo se sottoposte a carichi notevoli.
In sostanza il pacco lamellare si comporta come una valvola progressiva: tanto è più forte il colpo da assorbire, tanto maggiore sarà l’apertura tra pistone e lamella e quindi la velocità di flusso attraverso il passaggio.
Piramide lamellare in dettaglio
La piramide lamellare può essere divisa in diverse sezioni:
-Face shim: indica la lamella affacciata sul pistone. Si presta a parecchie interpretazioni alternative; normalmente, ha stesso diametro e forma di quelle del primo stadio.
– First stage: primo gruppo di lamelle, che lavora a tutte le velocità relative.
– Crossover shim/shims: separa il primo stadio dal secondo. Queste lamelle non si deflettono
Apprezzabilmente avendo un diametro di solito circa 2/5 del diametro del primo stadio.
– Second stage (tapered stack): lavora soltanto alle alte velocità relative, quando la deflessione del
primo stadio lo porta a contatto con il secondo. E’ conico (tapered significa proprio questo) in quanto
composto da lamelle di diametro decrescente. Il motivo di questa forma è da ricercare sia nella ricerca
della massima resistenza meccanica, sia nelle interessanti possibilità che questa morfologia consente in
termini di modulazione della sezione di passaggio dell’olio alle altissime velocità relative: infatti,
utilizzando lamelle dello stesso diametro potremmo soltanto variarne il numero e/o lo spessore.
– Clamp shim/shims: è l’ultima della pila conica di lamelle che forma il secondo stadio, allontanandosi
dal pistone. Il suo diametro varia il comportamento del pacco a tutte le velocità.
– Backing shim: impone un fine corsa alle lamelle del secondo stadio, e quindi anche a quelle del primo.
Non necessariamente deve essere di diametro uguale a quello massimo dei due stadi.
Di stadi se ne possono avere anche 3, come pure uno solo. Normalmente con più stadi ci si può
avvicinare di più ad un coefficiente di smorzamento con andamento progressivo, mentre con uno soltanto il risultato di solito è digressivo.
Lo spessore delle lamelle dice quanto rallentare, o meglio, quanta forza di reazione esprimere;
il diametro, dove rallentare; ad esempio, nella prima fase di impatto o nella fase finale
Esempi di modifiche
Qui di seguito un piccolo esempio delle modifiche che si possono apportare alla piramide e alla loro influenza sulla forza resistente della stessa:
Linea NERA: sviluppo della reazione della piramide lamellare originale.
Linea ROSSA: sviluppo della reazione se aumentiamo lo spessore anche di una sola lamella alla base (no l’ ultima che non ha alcuna influenza) . Incremento forza in fase finale.
Linea VERDE: sviluppo della reazione con “lamella di stacco” inserita tra le prime, le piu’ grandi e vicine al pistone.
Linea AZZURRA: sviluppo della reazione con minor numero lamelle piu’ grandi e aumento dello spessore di una o piu’ alla base (no l’ ultima che non ha alcuna influenza). Meno forza in partenza e incremento in fase finale corsa.
Linea GIALLA: sviluppo della reazione con minor numero lamelle in partenza, le piu’ grandi e sensibili.
Diminuzione forza in partenza e fino alla fase finale corsa.
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Tuning ammortizzatore e telaio
Ci chiederemo quindi: come faccio a capire qual’è il tuning adatto al mio telaio?
Gli ammortizzatori escono di fabbrica con diversi tuning, di solito 3 per le compressioni e 3 per il rebound.
Soffermiamoci ad analizzare la scelta tra i tuning di fabbrica tralasciando eventuali modifiche personalizzate.
Per fare ciò dobbiamo introdurre un concetto nuovo: il Leverage Ratio (LR).
Leverage ratio
Il Leverage Ratio (rapporto di leva in italiano) non è altro che il rapporto tra la corsa della ruota e la corsa dell’ammortizzatore e. Se ad esempio avessimo una bici con un ammortizzatore con 57mm di corsa e 165mm di corsa alla ruota, il LR sarebbe di 165/57 = 2,89
Il leverage ratio però non è mai costante durante tutta la corsa della ruota, questo è dovuto ai leveraggi del carro i quali ,in base a come è stato progettato il telaio, fanno in modo di enfatizzare o meno lintervento dell’ammortizzatore nelle varie fasi di corsa della ruota.
L’andamento della “LR line” nel grafico avente come ascissa la corsa della ruota e in ordinata la LR effettiva può essere visto anche come la derivata prima della curva risultante da un grafico avente in ascissa la corsa della ruota ed in ordinata la corsa dell’ammortizzatore.
Un carro Flat Rate avrà un andamento pressochè costante della LR durante tutta la corsa della ruota, questo vuol dire che l’incremento di corsa della ruota sarà direttamente proporzionale (con fattore di rapporto LR) all’ incremento di corsa dell’ammortizzatore durante tutta la corsa della ruota.
Un carro Falling Rate invece avrà un aumento della LR all’aumentare della corsa della ruota. Abitualmente questo aumento non risulta essere lineare, bensì parabolico.
Più ci avviciniamo al fondo corsa minore sarà l’intervento sulla corsa dell’ammortizzatore.
Un carro Rising Rate invece avrà una diminuzione della LR all’aumentare della corsa della ruota.
Più ci avviciniamo al fondo corsa maggiore sarà l’intervento sulla corsa dell’ammortizzatore.
Considerazioni finali
Capiamo quindi come il tuning, soprattutto per ciò che riguarda le compressioni, dovrà tenere conto dell’andamento della LR.
Un carro Rising Rate potrà avere un tuning alle compressioni più “soft” rispetto ad un carro Falling Rate o Flat Rate in quanto nella seconda metà della corsa della ruota ci troveremo con più di metà corsa dell’ammortizzatore disponibile poiché non sfruttata in precedenza.
Un carro Falling Rate invece dovrebbe avere un tuning alle compressioni più “hard” rispetto un carro Rising Rate o Flat Rate in quanto nella seconda metà corsa della ruota avremo a disposizione meno della metà di corsa dell’ammortizzatore poiché gia sfruttata in precedenza.
Bisogna comunque capire in che range di LR medi ci troviamo ad operare. Per range di LR alti il tuning dovrà essere più “hard” per evitare facili fondocorsa, per LR bassi più “soft” per poter gestire tutta la corsa.
Serbatoio esterno: quando e perché?
Funzionamento camera d’espansione (reservoir)
Abbiamo visto come la presenza della camera di espansione sia indispensabile per “assorbire” la variazione di volume dovuta all’ingesso dell’asta nella camera RC (Vp2 – Vp1)e quindi per poter garantire il movimento del pistone, questo per quanto concerne il campo statico. In campo dinamico, durante la compressione, la camera di espansione si comprimerà di una quota aggiuntiva (Vx) in seguito dell’aumento di pressione in CC, dovuto al ritardo del deflusso del l’olio in RC a seguito della differenza di pressione tra le due camere. Una volta che l’equilibrio di pressione delle due camere sarà raggiunto la camera di espansione rimarrà compressa solamente del volume necessario ad “assorbire” il volume del asta in RC (Vp2-Vp1).
Regolazioni camera d’espansione
Modificando il volume della camera d’espansione o modificando la pressione si può variare la risposta dell’ammortizzatore, vediamo come.
In linea generale possiamo dire che un aumento di pressione in camera d’espansione equivale ad una maggior resistenza alla compressione. Più aumenterà la pressione, più l’asta farà difficoltà ad occupare lo spazio nella RC.
Semplificando le trasformazioni come isoterme possiamo affermare che se manteniamo costante il volume di partenza della camera d’espansione ed aumentiamo la pressione l’andamento della nuova curva di resistenza sarà qualitativamente il seguente:
Se invece manteniamo la pressione iniziale costante ma diminuiamo il volume di partenza della camera d’espansione l’andamento della nuova curva di resistenza sarà qualitativamente il seguente:
Vediamo quindi come l’aumento di pressione iniziale provoca un aumento costante di resistenza all’affondamento durante tutta la corsa dell’ammortizzatore mentre la diminuzione di volume iniziale farà aumentare la resistenza solo al fine corsa.
N.B: Bisogna stare particolarmente attenti a non scendere troppo di pressione in quanto pressioni ridotte potrebbero portare a fenomeni di cavitazione
Senza piggyback
Gli ammortizzatori con pistone flottante interno al corpo principale sono destinati principalmente ad un uso non troppo gravoso, i limiti in questo caso sono costituiti da una maggiore lunghezza e da una ridotta possibilità di ottenere grandi escursioni. Pure per quanto riguarda le possibilità di effettuare regolazioni esterne supplementari la struttura rende il tutto davvero molto scomodo, se non addirittura impossibile.
Questi tipi di ammortizzatori sono più soggetti al riscaldamento, in quanto posseggono meno olio e la dissipazione del calore è più difficoltosa essendo ridotta la superficie a contatto con l’ambiente.
Consigliato per discipline dove il peso gioca un ruolo fondamentale e dove le sollecitazioni sull’ammortizzatore non risultano essere eccessive, tipo XC, MARATHON, TRAIL.
Con piggyback
L’ utilizzo di un serbatoio esterno permette all’ammortizzatore di raggiungere notevoli escursioni senza la necessità di avere interassi esagerati . Il condotto che porta l’olio dalla camera CC al serbatoio esterno consente l’inserimento di una Base Valve in modo da poter avere maggiori regolazioni da affiancare a quelle standard di Rebound e Compression, la dissipazione del calore è nettamente migliore in quanto la superficie tra olio e ambiente esterno è maggiore. Per gli ammortizzatori ad aria la dissipazione del calore dell’olio risulta di vitale importanza in quanto temperature eccessive dell’olio possono far aumentare notevolmente la temperatura dell’aria (già alta quando l’ammortizzatore è in esercizio), rendendo l’elemento elastico più “rigido” e meno sensibile.
Consigliato per discipline gravose, prettamente discesistiche, dove l’ammortizzatore è costantemente sollecitato tipo ENDURO, DH.
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