Capitolo 1 – Sistemi sterzanti, EPS e Safety
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CAPITOLO 1
S Si is st te em mi i s st te er rz za an nt ti i, , E EP PS S e e S Sa af fe et ty y
1.1 Introduzione
In questo capitolo verranno illustrati i vari tipi di sistemi
sterzanti esistenti, l’utilità del servosterzo ed il principio di
funzionamento di un sistema Electric Power Steering (EPS), nonché
verranno introdotti alcuni concetti di Safety necessari per lo sviluppo
di applicazioni in ambito Automotive.
1.2 Sistemi sterzanti
Con la nascita dei primi veicoli, ci si rese subito conto della
necessità di un meccanismo che permettesse di cambiare direzione, è
nato così lo sterzo. Nei carri era presente un sistema elementare ed
ingegnoso allo stesso tempo: l'asse posteriore era fisso, mentre quello
anteriore era imperniato in mezzo e collegato all'animale, così che,
quando l'animale cambiava direzione, automaticamente il carro
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sterzava; in parole povere era l'intero asse anteriore a girare, non solo
le ruote lasciando fermo l'asse.
Già nel 1816 era stato brevettato un sistema sterzante, lo sterzo con
fusi a snodo. Questo sistema finì poi nel dimenticatoio, per essere
successivamente ritrovato da Karl Benz, il quale cercò di svilupparlo,
fino ad arrivare ad un sistema sufficientemente affidabile per essere
messo in commercio.
Schematicamente questo è lo stesso tipo di sterzo utilizzato poi sui go-
kart.
Figura 1 - Primo modello di sterzo
Per quanto riguarda, invece, gli impianti sterzanti delle autovetture,
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essi si dividono in tre principali comandi: meccanico, elettrico o
idraulico (si vedranno anche delle varianti).
Il primo tipo, quello meccanico, si divide a sua volta in altre tre
tipologie, cioè a tiranti (quello dei go-kart), a vite senza fine o a
cremagliera.
Il sistema a vite senza fine è molto simile a quello a tiranti, con la
differenza che lo sterzo viene demoltiplicato, ossia a grandi
movimenti del volante corrispondono piccoli movimenti delle ruote;
quest’operazione viene svolta, appunto, da una vite senza fine.
Il sistema più diffuso, però, è quello a cremagliera (o dentiera) e
pignone che permette di convertire la rotazione dello sterzo in moto
lineare degli organi che agiscono sulle ruote.
Il pignone è una semplice ruota dentata, mentre la cremagliera è una
barra dentata di lunghezza arbitraria. La si può considerare
equivalente ad una ruota dentata di raggio infinito.
questo sistema risulta semplice da costruire e molto affidabile.
Figura 2 - Dettaglio cremagliera/pignone
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1.3 Servosterzo
Mentre per le vetture più leggere può essere sufficiente un
accoppiamento meccanico tra lo sterzo e le ruote, per le vetture più
pesanti questo discorso non vale, in quanto lo sterzo si rivela essere
troppo duro da azionare, volendo mantenere anche una corretta
demoltiplicazione al volante. Vengono allora in aiuto i meccanismi di
servosterzo, i quali servono appunto ad alleviare lo sforzo che il
guidatore deve compiere per effettuare la manovra sterzante.
Tali meccanismi, come detto precedentemente, possono essere
elettrici o idraulici e costituiscono soltanto un supporto allo sterzo a
cremagliera, ma non lo sostituiscono per motivi di sicurezza.
1.3.1 Idrosterzo e idroguida
Il sistema del servosterzo idraulico, è composto da una pompa
ad ingranaggi, azionata dal motore, con la relativa pompa dell'olio, un
distributore collegato alla vite globoidale dello sterzo ed un cilindro
operatore il cui stantuffo è collegato alla leva dello sterzo.
Quando il volante si trova in posizione neutra, l’olio che viene inviato
dalla pompa al distributore torna al serbatoio attraverso un tubo di
recupero, in quanto non trova accesso allo stantuffo operatore.
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Quando, invece, viene effettuata una sterzata, il movimento del
volante fa girare la vite globoidale posta alla base del piantone dello
sterzo. Tale vite aziona il distributore ad essa collegato e permette,
mediante un tubicino, la conduzione dell’olio al cilindro operatore.
L’aumento di pressione in una delle due camere del cilindro che ne
consegue, aziona lo stantuffo che, agendo sulla leva dello sterzo, ne
agevola notevolmente la sterzata imposta dalla direzione del volante.
Figura 3 - Schema dell'idrosterzo
Tra i vantaggi dell’idrosterzo, oltre alla riduzione dello sforzo
necessario per effettuare la manovra sterzante, vi è anche la riduzione
delle vibrazioni dello sterzo in caso di terreno sconnesso; di contro le
ruote vengono azionate con un lieve ritardo e la velocità di sterzata, in
alcuni casi, non offre una buona sensibilità alla guida.
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Esiste poi anche l'idroguida, utilizzata solo su particolari veicoli (ad
esempio i trattori). Il principio di funzionamento è lo stesso del
servosterzo idraulico, con la differenza che in questo caso non è
presente la cremagliera, ma lo sterzo è collegato solo al distributore, e
anziché utilizzare uno stantuffo operativo a doppio effetto, vengono in
genere utilizzati due stantuffi.
Il grosso vantaggio di questo sistema è che, essendo lo sterzo
collegato alle ruote solo tramite tubi idraulici, può essere posizionato a
piacimento nel veicolo. Presenta però anche un grosso difetto: ha un
certo ritardo di risposta e non è veloce nella sterzata, motivo per cui
viene utilizzato solo su veicoli lenti, in quanto su delle automobili si
potrebbe rivelare pericoloso.
1.3.2 Electric Power Steering
Gli Electric Power Steering (EPS) sono i servosterzi elettrici.
Tali sistemi sono molto semplici e vengono utilizzati specialmente in
vetture più piccole e/o economiche; consistono in un motore elettrico,
in genere un BLDC, collegato allo sterzo tramite un sistema di
ingranaggi che ne demoltiplicano i giri.
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Quando c'è un movimento verso sinistra o verso destra del volante, il
motore elettrico si aziona aiutando il movimento nell'uno o nell'altro
senso, semplicemente cambiando la polarità della corrente.
Uno sterzo di questo tipo è apparso per la prima volta in Europa sulla
Fiat Punto nel 1999.
L’EPS ha sostituito il servosterzo idraulico (HPS) nelle vetture di
dimensioni medio piccole ed è diventato il sistema più usato anche nei
veicoli di grandi dimensioni.
Tra i vantaggi di questo sistema, oltre ad un minor costo di
realizzazione, è possibile annoverare anche una migliore compatibilità
ambientale, una maggiore efficienza nella distribuzione dei
componenti ed una diminuzione dei consumi rispetto all'idrosterzo, in
quanto non presenta ingombranti pompe idrauliche che sottraggono
potenza dal motore.
Il servosterzo elettrico garantisce, inoltre, un’elevata velocità di
sterzata e la possibilità di regolare i parametri da cui dipende lo sforzo
necessario alla rotazione dello sterzo.
Lo schema a blocchi di un sistema EPS generalmente si presenta nel
seguente modo.
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Figura 4 - Modello EPS
Il Loop Speed Controllor è la parte fondamentale del sistema ed è
composto da:
Controller: centralina elettronica con microcontrollore
per il controllo della corrente del motore.
Power Driver: circuiteria con ASIC per il pilotaggio della
parte di potenza.
Power Inverter: parte di potenza per la gestione del
motore.
Il sensore di coppia, ricevendo in ingresso le misure della posizione
del volante e di quella dell’albero, fornisce la coppia rilevata allo
sterzo.
Il blocco Torque Map, fornisce il riferimento di coppia in
considerazione delle abitudini e dello stile di guida del conducente,
ricevendo in ingresso la posizione del volante e la velocità del veicolo.
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La differenza tra il riferimento di coppia e quella rilevata allo sterzo
viene quindi processata dal controllore di velocità per azionare il
motore.
1.3.3 Steer-by-wire
Un’altra configurazione possibile del sistema sterzante è quella
Steer-by-Wire (SBW). In questo caso non esiste più un collegamento
meccanico tra lo sterzo e le ruote anteriori, quindi non è più presente il
piantone dello sterzo, ma esso è sostituito da un blocco attuatore
direttamente connesso al volante per ricreare la sensazione di guida
(force-feedback) e un blocco attuatore sull'assale delle ruote per
attuare il comando di sterzata in funzione dell’angolo di sterzo rilevato
dal sensore.
Figura 5 - Modello Steer by Wire
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I segnali elettrici possono essere controllati ed elaborati in una
centralina, attraverso la quale si possono correggere malfunzionamenti
o errori commessi dal guidatore. Inoltre, l’elettronica offre la
possibilità di collegare in rete tra di loro diversi sistemi, che possono
essere quasi tutti quelli che riguardano la dinamica di guida e la
sicurezza attiva, ma anche le centraline motore, cambio e freni.
Poiché non esiste il collegamento meccanico tra l’unità di comando
nell’abitacolo e gli organi che eseguono i comandi, posti al di fuori
dell’abitacolo, ne deriva una maggiore libertà nel packaging e un
minore onere nel montaggio. Al posto del piantone dello sterzo o di
altre unità meccaniche, si devono posare cavi. Si riduce così la
percezione di vibrazioni nell’abitacolo dell’autoveicolo, mentre
migliora la sicurezza passiva. Componenti elettronici permettono di
ridurre il peso ed i costi rispetto a gruppi di costruzione meccanici;
non da ultimo, giova all’ambiente il fatto che siano eliminati i liquidi
di funzionamento, quale, ad esempio, l’olio impiegato per le parti
idrauliche.
Tuttavia, non tutti i sistemi dell’autoveicolo possono essere
equipaggiati con la trasmissione puramente elettronica dei segnali.
Il sistema Steer-by-Wire non è ancora consentito nell’automobile, in
quanto alcune normative sulla sicurezza, in vigore presso i Paesi
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dell’EU, richiedono un collegamento meccanico tra volante e
pneumatico.
La sicurezza assoluta si potrebbe ottenere con una soluzione By-Wire,
soltanto se esistesse un sistema ridondante, che richiederebbe due reti
di bordo e due batterie, compresi doppi sensori, unità di comando e
attuatori, oppure un ulteriore sterzo meccanico-idraulico, come back-
up. I costi, necessari per realizzare quanto sopra, escludono che lo
sterzo Steer-by-Wire si possa realizzare in breve tempo di serie.
1.3.4 Active Steering
L’Active Steering è un dispositivo elettromeccanico,
sviluppato da BMW, che assiste il guidatore durante la sterzata senza
mai privarlo del controllo della vettura. Il sistema contribuisce a
migliorare notevolmente la sicurezza e la stabilità della vettura.
L’Active Steering supporta in sostanza il guidatore nella gestione del
volante ed è in grado di agire attivamente sull’angolo di sterzata in
situazioni di emergenza come un ostacolo imprevisto o un cambio di
traiettoria improvviso.
La maneggevolezza dell’automobile viene incrementata grazie al
rapporto di trasmissione variabile che permette di adattarsi ad ogni
situazione di guida.
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L'Active Steering, a differenza dei cosiddetti sistemi Steer-by-Wire,
privi di collegamento meccanico tra volante e ruote, garantisce la
costante funzionalità dell’impianto sterzante anche in caso di guasto o
di malfunzionamento dei sistemi di assistenza alla guida.
1.4 Safety
Nel settore automotive, la sicurezza assume un ruolo sempre
più importante nella fase di progettazione.
Un regolamento, approvato dal Parlamento europeo, fissa i requisiti di
sicurezza necessari per l'omologazione dei veicoli a motore e regola
l'introduzione di nuove tecnologie, non solo nel campo della
assistenza alla guida, ma anche nel controllo della dinamica della
vettura.
Queste nuove tecnologie, sulla base di funzionalità distribuite in
diverse unità di controllo, in genere sviluppate da diversi fornitori,
aumentano sia la complessità che la quantità dei contenuti hardware e
software e, di conseguenza, i rischi di errori sistematici e guasti
hardware casuali.
Per l'integrazione di questi nuovi sistemi in un veicolo, vi è il bisogno
di garantire la sicurezza dei processi di sviluppo, nonché di fornire la
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prova che tutti gli obiettivi ragionevoli di sicurezza siano stati
rispettati.
A tale scopo, è stata istituita la norma IEC 61508, norma generica per
la sicurezza funzionale dei sistemi elettronici (quattro Safety Integrity
Levels), e la norma ISO 26262, derivata dalla IEC 61508 per le
applicazioni automotive (quattro Automotive SILs).
Nello specifico, la prima norma introduce quattro livelli di Safety
Integrity Level (da SIL1 a SIL4), ciascuno dei quali definisce una
misura quantitativa della necessaria riduzione del rischio, inteso come
insieme della probabilità di un malfunzionamento e delle sue
conseguenze, e quindi il grado di affidabilità che il sistema di
sicurezza deve raggiungere per poter garantire tale riduzione.
La norma copre tutte le fasi di vita del sistema di sicurezza, dalla fase
di progetto a quella di esercizio e manutenzione, fino allo smaltimento
e si applica a tutti i sistemi di sicurezza in cui almeno uno dei
componenti incorpori dispositivi elettrici, elettronici o elettronici
programmabili.
È importante ricordare, inoltre, che il SIL è relativo alla singola
funzione di sicurezza e non all’intero impianto o ai singoli
componenti, in quanto questi possono avere una certa affidabilità,
solitamente inferiore a quella richiesta dall’intera applicazione per un
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