Da anni si sta valutando l’utilizzo di sistemi elettronici per trasmettere la sterzata del conducente alle ruote senza link meccanico; ora ciò è diventato realtà
Tutto cominciò in volo, quando i costruttori di aerei iniziarono a mettere a punto strategie finalizzate a ridurre il peso dei propri aeromobili, con l’obiettivo di abbassare i consumi e incrementare la portata utile: prendendo spunto dal caccia Lockheed F-16, primo ad adottare un sistema di governo delle superfici di controllo ad azionamento elettrico, prima Airbus con l’A-320 (che ne fece il proprio cavallo di battaglia, nonché successo l’arma vincente del suo successo commerciale) e poi Boeing (che iniziò con il 777) e a seguire altre aziende “minori” decisero di adottare il sistema Fly-by-Wire, che consiste nel sostituire tiranti e circuiti oleodinamici con elettroattuatori azionati da segnali elettrici trasmessi dai computer di bordo sulla base dei comandi impartiti dal pilota mediante i dispositivi in cabina di pilotaggio: volantino (o side-stick per Airbus) e la pedaliera. Sulla scia del successo tecnologico (incidenti a parte…) di tale soluzione, anche i produttori di sistemi automotive hanno pensato di semplificare e alleggerire l’impianto sterzante e quello frenante, eliminando piantoni, tiranterie e circuiti idraulici e sostituendoli con cavi elettrici che trasportano segnali in grado di azionare servomotori o motoriduttori in luogo per sterzare le ruote e per far premere i pattini d’attrito (pastiglie o ganasce) sui dispositivi di frenatura. Questa tecnologia, collocata nella più ampia famiglia del Drive-By-Wire (o semplicemente “By-Wire”) porta non solo a un minore peso del veicolo, ma semplifica la guida autonoma o fortemente assistita (ADAS…) perché consente a un computer di prendere direttamente il controllo della conduzione del veicolo, cosa che già può fare a livello di powertrain, da quando motore e trasmissione sono gestiti elettronicamente. Inoltre, nei veicoli elettrici permette di evitare l’utilizzo di pompe idrauliche alimentate elettricamente, che energeticamente sono sconvenienti.
Indubbiamente passare dalle connessioni meccaniche e idrauliche a quelle elettriche pone una serie di questioni, prima fra tutte quella della sicurezza, in special modo per quel che concerne la frenatura, dove nelle automobili si adottano da decenni circuiti idraulici sdoppiati e un freno di stazionamento meccanico, mentre nei camion la frenatura pneumatica può contare non solo sui circuiti sdoppiati ma anche sulle brake-chamber di stazionamento, che in caso di perdita nel circuito pneumatico rilasciano potenti molle in grado di azionare le ganasce.
Per questo, prima di passare alla diffusione di massa sugli autoveicoli i sistemi by wire hanno dovuto superare numerosi test e verifiche di affidabilità, tanto che oggi si possono ritenere sicuri quanto i corrispondenti dispositivi di sterzata e di frenatura tradizionali.
Steer by wire
Quella di togliere il piantone dello sterzo e lasciare che il volante diventi il dispositivo di input di un impianto in grado di attivare una scatola guida a cremagliera motorizzata tramite un motore brushless o uno stepper-motor, è un’idea che da tanti anni stuzzica i progettisti automotive e che di recente ha preso forma sull’onda della mobilità elettrica e della guida autonoma di livello avanzato; una tale rivoluzione porta con sé diversi vantaggi che sono essenzialmente il minore peso rispetto allo sterzo con piantone, più facile collocazione del volante rispetto alle ruote sterzanti, possibilità di comandare una scatola guida supplementare posteriore per implementare una soluzione a quattro ruote sterzanti reali. Inoltre, mancando il piantone dello sterzo si aumenta la sicurezza per il conducente in caso di urto frontale particolarmente violento, perché sebbene da decenni i piantoni siano studiati per assorbire la deformazione frontale, esiste un rischio residuo che il volante possa collidere con il guidatore.
L’unico difetto di un simile azionamento è che, diversamente dalla connessione meccanica alle ruote che contraddistingue i sistemi sterzanti convenzionali, non restituisce al conducente la percezione della strada né la consapevolezza dello sforzo esercitato sulle ruote, ma a ciò si può porre rimedio mediante l’implementazione di un force-feedback (letteralmente un ritorno di forza dalle ruote sterzanti al volante) similmente a quanto avviene nei moderni velivoli dotati di Fly-By-Wire.
Se realizzare qualcosa del genere poteva essere antieconomico e meno sicuro del sistema sterzante convenzionale, con la massiccia diffusione dell’elettronica in automotive è divenuto pratico ed economico, perché coniuga le eccellenti proprietà di risparmio energetico ed economia costruttiva del servosterzo elettrico (EPS) rispetto a quello elettroidraulico (EHPS) alla facilità di gestione attraverso l’elettronica di bordo, in perfetta sinergia con l’unità elettronica di gestione dell’ADAS e con la ECU del sistema di stabilità ESP/ABS.
Strutturalmente, un sistema sterzante By-Wire è basato su un tradizionale servosterzo elettrico che riceve i comandi via CAN-Bus da un’unità elettronica dedicata o integrata in quella di governo dell’ADAS, la quale a sua volta acquisisce gli input da un encoder rotativo di elevata precisione azionato da un albero solidale con il volante e da un sensore di coppia di sterzata; per rendere più realistico il comando, ovvero consentire al conducente (ma anche all’eventuale sistema di guida autonoma) di percepire lo sforzo che sta facendo nella sterzata onde modularne il controllo in maniera adeguata alla velocità di marcia, il sistema può implementare un ritorno di forza ottenuto ad esempio attraverso un dispositivo inerziale applicato all’albero del volante, che sviluppa una forza resistente man mano che la velocità del veicolo aumenta. Il tutto può essere schematizzato come proposto nella Figura 1, dove al volante sono applicati un sensore di angolo e sforzo di sterzata (il primo informa di quanto devono essere angolate le ruote sterzanti e il secondo di quanto rapidamente il conducente intende sterzare) mentre ala scatola dello sterzo arrivano i comandi mediati dall’unità elettronica di gestione dedicata, la quale dialoga con la centralina elettronica dell’ESP e con la ECU motore (da cui acquisisce il segnale di velocità e di giri, oltre alla condizione dell’acceleratore) per ottimizzare la coppia di sterzata impressa ai tiranti dello sterzo.
Una soluzione per implementare il force-feedback può essere un motore elettrico calettato sull’albero del volante che tende a ruotare, sia pure con una forza ridotta rispetto a quella esercitata dal conducente e modulata con precisione dall’unità elettronica di gestione dello sterzo By-Wire in modo che non faccia comunque spostare il volante in assenza di forza esercitata dal conducente stesso e che determini una coppia resistente. Altra soluzione è l’applicazione di un feedback aptico implementato da un trasduttore a vibrazione che produce una forza vibrante via-via crescente all’aumentare della velocità di marcia, naturalmente solo quando il conducente sterza; in questo caso si tratta di un sistema già collaudato sul campo da anni con i sistemi di assistenza alla guida come l’assistente di corsia (Lane Assistant) o il radar per il rilevamento dell’angolo cieco, che fanno vibrare il volante e ostacolano la sterzata se il conducente tenta di spostarsi in una corsia occupata oppure sta uscendo dalle linee delimitanti la propria corsia di marcia.
In tutti i casi il ritorno di forza è fondamentale perché senza percepire la resistenza delle ruote alla sterzata o la risposta dell’automobile ad una certa rotazione dello sterzo, è facile imprimere al volante un movimento che possa far sbandare il veicolo o pregiudicarne la stabilità, proprio perché non se ne percepisce la conseguenza se non quando è troppo tardi.
Steer-By-Wire: chi lo propone
Un’azienda che si è mossa attivamente nell’ambito dello Steer-By-Wire è ZF, che di recente ha presentato il proprio sistema di sterzata By-Wire e che, a seguito di accordi con la NIO, sta producendo in serie per equipaggiare l’ammiraglia a trazione elettrica NIO ET9; in particolare, ZF fornisce al produttore cinese sia l’attuatore del volante per la sterzata e per la visualizzazione del feeling della sterzata (il succitato force-feedback) sia l’attuatore ridondante della scatola dello sterzo e il relativo software di gestione, integrabile anche in sistemi ADAS.
Nel sistema Steer-By-Wire ZF, un attuatore meccatronico posto tra le ruote è l’unica e autonoma origine dell’azione sterzante e i comandi di sterzata sono impartiti rilevando l’angolo e la velocità di sterzata attraverso un sensore sull’albero del volante collocato nell’abitacolo; sostanzialmente in questo Steer-By-Wire si utilizza un tradizionale servosterzo elettrico, che però non ha più l’ingresso per il piantone e tantomeno il relativo pignone, sostituito nel caso specifico da un ingranaggio solidale con l’albero dello stepper-motor che qui, invece di aiutare la sterzata come farebbe in un classico servosterzo, diventa esso stesso responsabile dell’attuazione.
Nello Steer-By-Wire ZF, un azionamento elettrico -la cosiddetta unità di feedback della coppia- riproduce la naturale sensazione di sterzata e fornisce al conducente la percezione della strada. Il sistema ZF regola il rapporto di sterzata individualmente, facendo in modo che il rapporto tra l’angolo del volante e quello della ruota sia adattato in maniera ottimale alle diverse velocità e situazioni di guida. Inoltre, grazie ad esso è possibile sviluppare volanti nuovi e più compatti, che non richiedono più al guidatore di spostare la presa nelle manovre di parcheggio. Nel complesso, questo porta a una manovrabilità significativamente migliore, in quanto l’angolo del volante si necessario a portare le ruote sterzanti ad una certa angolazione orizzontale può essere ridotto quando si parcheggia o quando si guida a bassa velocità; a ciò provvede il software dell’unità elettronica di gestione dello Steer-By-Wire e può farlo perché mancando una connessione rigida tra volante e scatola guida si tratta semplicemente di ricalibrare la corrispondenza tra l’angolo di rotazione dello sterzo rilevato dall’apposito sensore e la posizione angolare del pignone del motore elettrico di azionamento della cremagliera.
In combinazione con lo sterzo posteriore meccatronico AKC di ZF, il comfort di guida cresce significativamente per i veicoli elettrici a passo lungo. Il piacere della guida è mantenuto, perché il feeling di sterzata può essere regolato da sportivo e diretto a confortevole e rilassato. La tecnologia steer-by-wire ZF costituisce un ulteriore sviluppo del servosterzo elettrico, ideale per i veicoli elettrici e automatizzati.
Il sistema Steer-By-Wire ZF è ben descritto dall’immagine in Figura 2 e dal relativo blocco contenente il volante e la sensoristica integrata, accoppiata con ingranaggi all’albero dello stesso, dettagliati in Figura 3.
Il sistema di sterzata By-Wire ZF nasce all’interno della Divisione “Chassis Solutions” fondata all’inizio del 2024 per sviluppare sistemi di sterzo e di frenata a controllo puramente elettronico, così come di sistemi di smorzamento controllato che, in combinazione con il software cubiX ZF, formano le basi per il veicolo software-defined.
Un’altra azienda che ha fatto propria la filosofia By-Wire applicata alla sterzata è Hyundai (Mobis) che propone una tecnologia analoga per funzionalità, supportando sia la sterzata anteriore, sia il 4 weel steering; anche in questo caso c’è una scatola guida a cremagliera (chiamata RWA= Road Wheel Actuator) che di fatto è un servosterzo elettrico senza ingresso per il piantone, il cui motore brushless viene controllato tramite CAN-Bus dai segnali di una ECU che si interfaccia con la sensoristica applicata al volante (SFA=Steering Force Actuator) e da cui acquisisce le informazioni su rapidità e angolo di sterzata. Sempre la ECU del sistema di sterzata provvede a monitorare le condizioni della strada, la velocità del veicolo e la posizione dell’acceleratore, per fornire al volante un ritorno di forza in grado di far percepire al conducente le condizioni della strada, allo scopo di modulare la sterzata in funzione delle condizioni di assetto e di aderenza desunte dall’unità elettronica di gestione dell’EPS.
L’elettronica consente una ridondanza finalizzata a controllare autonomamente la sterzata in caso di guasto o inaffidabilità dei sensori posti sul volante, valutando le azioni da intraprendere sulla base dei dati acquisiti dai sistemi elettronici del veicolo come l’ABS/ESP, la ECU motore ecc.
Hyundai non è nuova a soluzioni Steer-By-Wire, tant’è che già alcuni anni fa aveva sviluppato un altro Steering Force Actuator, che è quello proposto nella Figura 5.
Altro colosso dell’automotive che non è rimasto a guardare l’evoluzione dello Steer-By-Wire è Bosch, la quale mette a disposizione dei costruttori un proprio set composto ancora una volta da uno Steering Force Actuator (ossia un volante con applicati i sensori di angolo e coppia di sterzata, nonché il motore per il force-feedback) ed una scatola guida totalmente indipendente (Steering Rack Actuator) connessa unicamente mediante cavi che trasportano via CAN-Bus le informazioni sul controllo della sterzata ricevute da una ECU dedicata, che dialoga con lo il complesso del volante sensorizzato e mediandone i dati controlla la scatola guida elettroattuata. La particolarità del complesso del volante è che il force-feedback viene ottenuto attraverso un motoriduttore accoppiato al mozzo del piantone mediante un meccanismo a frizione, il che consente un ritorno di forza modulabile meglio che con un accoppiamento a ingranaggi o comunque diretto.
I due elementi principali del sistema sterzante Bosch By-Wire sono proposti nella Figura 6.
Anche lo stato di guida e il feedback della strada vengono trasmessi al conducente, con la possibilità di filtrare via software segnali specifici come quelli derivanti da scanalature o buche sulla strada, in modo da poterli essere parzialmente o completamente eliminati, smorzati o amplificati. Grazie a questa tecnologia, è possibile generare una sensazione di sterzo personalizzata per singolo costruttore e, nello stesso veicolo, selezionabile tra più modalità, come ad esempio comfort o sport.
