Quando comparve il primo sterzo elettrico, una ventina di anni fa, fu come tutte le novità guardato con una certa diffidenza. Molti ricorderanno quel ‘tasto city’ sul cruscotto di una popolarissima utilitaria che, premuto, aumentava l’assistenza allo sterzo in fase di manovra o, più in generale nel traffico cittadino. Quel componente, fornito da Delphi, dimostrò la sua validità sia in termini funzionali sia di affidabilità, e da allora la diffusione dello sterzo elettrico è aumentata esponenzialmente, fino a divenire oggi pressoché globale, almeno nell’ambito delle vetture. Parlando poi di guida autonoma, il sistema elettrico è senza dubbio quello che consente la miglior integrazione, potendo abbinare a un hardware ormai consolidato, un software in continua evoluzione, in grado di interfacciarsi coi più evoluti sistemi elettronici di bordo.
Per capire meglio le ultime evoluzioni dell’EPS, ovvero l’Electric Power Steering, abbiamo visitato lo stabilimento Nexteer di Tychy, in Polonia, dove sono fabbricati i più evoluti sistemi EPS al mondo. La Nexteer Automotive è una multinazionale che conta 21 impianti (in Polonia, unica sede produttiva europea, oltre a Tychy c’è anche il sito di Gliwice) situati nei luoghi strategici del pianeta e la cui capacità produttiva ha consentito di raggiungere l’obiettivo dei 30 milioni di unità prodotte dal 1999 a oggi. Ci lavorano oltre 11.000 addetti e la logistica comprende anche 5 centri di sviluppo e 10 centri assistenza (quello dedicato a Fiat è ubicato, ovviamente, a Torino). Ed è stato proprio Andrea Romagnoli, Custom Manager per Fiat, a guidarci in questa breve analisi dello stato dell’arte degli EPS.
Cos’è un EPS
Si tratta di un sistema composto di motori elettrici, sensori, attuatori e centraline di controllo che azionano, su richiesta del guidatore, lo sterzo della vettura. E’ intuitivo che in condizioni di guida rettilinea, o in generale quando non è richiesta alcuna manovra, il sistema passa in condizione di stand by, a tutto vantaggio dei consumi energetici. Nel tradizionale sistema idraulico infatti la pompa idraulica è sempre in funzione, pur se a differenti condizioni di carico. Questo comporta fino al 6% di riduzione dei consumi e di conseguenza fino a 8 g/km in meno di emissioni.
L’intervento dell’EPS è governato da 3 input:
– la coppia applicata al volante, rilevata con sensori di coppia
– la posizione e velocità di manovra della ruota sterzante, rilevata da un sensore di posizione
– la velocità del veicolo, acquisita dal sistema di gestione veicolo
L’analisi di questi parametri genera l’intensità e la direzione della coppia generata dal motore elettrico di asservimento, che viene poi amplificata da un meccanismo di servosterzo.
Un EPS per ogni esigenza
Il concetto di sterzo elettrico si è evoluto al punto che oggi esistono quattro architetture diverse, ognuna adatta a un determinato impiego. Tre di queste utilizzano il meccanismo di servosterzo con vite senza fine e ruota dentata; l’altra, destinata ai veicoli pesanti, una trasmissione a cinghia dentata.
Le versioni più compatte sono quelle che prevedono la posizione del motore elettrico (del tipo brush oppure brushless) sulla colonna guida, ovvero nel vano sotto cruscotto. Nella loro esecuzione più semplice forniscono basse coppie di asservimento (circa 42 Nm) e sono dunque adatte a vetture di segmento A e destinate ai mercati emergenti. Nonostante sia un componente di costo contenuto, il sistema Column EPS della Nexteer incorpora il ritorno attivo e lo smorzamento delle vibrazioni del volante.
Nella versione col più efficiente (ma anche più costoso) motore brushless il Column EPS fornisce fino 90 Nm di coppia ed è dunque adatto a vetture di maggiori dimensioni (segmenti A-B-C). Si tratta del componente sul quale Nexteer ha più esperienza, essendo prodotto dal 1999 a oggi in 21 milioni di unità e 4 generazioni, con allestimenti personalizzati in funzione dell’asservimento richiesto e della sensoristica applicata.
Quando la richiesta di coppia è elevata e non c’è sufficiente spazio nel sotto cruscotto, la soluzione tecnica è quella di spostare il motore elettrico nel sotto cofano. In pratica il motore agisce sempre sul piantone, ma nella zona adiacente alla cremagliera che comanda i tiranti che agiscono sulle ruote.
Denominato Single Pinion EPS è azionato da un motore brushless e può sviluppare fino a 85 Nm di assistenza; come il Column EPS è quindi adatto a veicoli dei segmenti A-B-C. In questa configurazione la risposta dello sterzo è eccellente e dunque la precisione di guida elevata. Non per nulla questo sistema è impiegato sulla Mini, sulla DS3 e sulla BMW Serie 2, la cui sensibilità dello sterzo è definita ‘premium’.
Una ulteriore evoluzione del sistema Single Pinion EPS è costituito dal Dual Pinion EPS, nel quale il motore elettrico agisce direttamente sulla cremagliera tramite un pignone ad esso collegato, diverso da quello tradizionale collegato al piantone. Come intuibile si tratta di un sistema più costoso ma ancora più preciso e potente in termini di forza trasmissibile dai tiranti collegati alla cremagliera (circa 12,5 kN, ovvero il 20% in più di un SPEPS). E’ un componente già sviluppato e validato da Nexteer per applicazioni su veicoli dei segmenti C e D e il cui avvio della produzione è previsto per il 2020.
Ad oggi per questo range di prestazioni, Nexteer produce il Rack EPS (immagine a sx), dove il motore elettrico, montato con l’asse parallelo alla cremagliera, agisce direttamente su di essa tramite una cinghia (con appropriato rapporto di riduzione) che aziona una vite a circolazione di sfere di altissima precisione e durata. La forza trasmessa ai tiranti può in questo caso arrivare fino a 20 kN, adattandosi non solo alle vetture di segmento più elevato ma anche ai SUV e a truck leggeri, come ad esempio i grandi pick up americani.
Massima flessibilità
Se la parte meccanica ha raggiunto livelli di precisione e affidabilità molto elevati, l’elettronica non è da meno e i software già ora disponibili possono ‘mappare’ l’assistenza allo sterzo in ogni situazione di guida, con curve di asservimento personalizzate. Non solo: il sistema è in grado di ‘filtrare’ altri fattori, come ad esempio gli attriti interni e le vibrazioni percettibili al volante. Lo abbiamo verificato in un breve assaggio sul piazzale della Nexteer, a bordo di una Mini e di una Opel con al fianco un tecnico che con un PC portatile era in grado di interagire con l’elettronica in tempo reale, variando il ‘feeling’ sul volante in modo quasi istantaneo.
Passare da uno sterzo che si guida letteralmente con un dito a uno che trasmette al 100% il contatto col suolo è questione di frazioni di secondo, così come il progressivo irrigidimento con la velocità. Anche le reazioni al volante su terreni particolarmente accidentati, o sui ‘rallentatori’ che talvolta si incontrano in prossimità degli incroci, possono essere filtrate e controllate. Tra le funzioni avanzate c’è anche la compensazione della coppia di sterzo, tipica delle vetture di alte prestazioni con la trazione anteriore e dovuta a sbilanciamento delle sospensioni o dei pneumatici o al layout dei semiassi. Anche gli sbilanciamenti dei freni (a causa ad esempio della deformazione dei dischi) possono innescare delle derive in fase di frenata che l’EPS è in grado di rilevare e correggere. Il tasto ‘city’ che abbiamo ricordato in apertura pare oggi qualcosa di preistorico al confronto delle capacità dei software odierni.
Verso l’ADV
Si chiama Automated Driving Vehicle, ovvero il veicolo a guida autonoma di cui tanto si parla ultimamente e che è al centro dell’attenzione di tutti i centri di R&D delle grandi Case automobilistiche e dei loro principali fornitori tecnici. I tempi non sono ancora maturi per arrivare al livello 5, ovvero quello che le normative definiscono essere quello in cui il sistema è in grado di governare accelerazione, decelerazione e frenata in ogni condizione di guida. Oggi, coi più moderni sistemi di assistenza alla guida, siamo a livello 1 o 2: dunque la strada da percorrere è ancora lunga. Anche perché ci sono ancora forti remore da parte dei legislatori e anche della società, non ancora totalmente pronta a delegare a una macchina la sicurezza dei suoi occupanti. Oltre a questo, anche le Case fanno una certa resistenza ad affidare funzioni così complesse e importanti a un solo fornitore esterno. In questo contesto l’EPS e lo Steer by Wire (altro sistema su cui Nexteer vanta ormai 15 anni di esperienza) giocano senza dubbio un ruolo fondamentale e dunque è logico che Nexteer (e i suoi principali concorrenti) dedichino forti risorse alla ricerca finalizzata ad arrivare ai massimi livelli. Ad oggi lo standard di sicurezza automotive ISO 26262 ha dato le indicazioni base per garantire la sicurezza in condizioni di guida assistita/autonoma, sia in termini di progettazione HW e SW sia per quanto riguarda le modalità di recupero del controllo manuale in caso di guasto o imprevisto.
I prossimi 5 anni saranno cruciali, sia per arrivare a una legislazione chiara su questo tema , sia per creare degli standard costruttivi compatibili con i costi tipici dell’industria automotive. Fare ad esempio riferimento ai sistemi di sicurezza fortemente ridondanti utilizzati tipicamente nell’industria aerospaziale, seppur ben collaudati ed efficienti, sarebbe pressoché impossibile su una vettura di serie. D’altro canto, oltre alla sicurezza intrinseca del sistema si devono anche valutare eventuali ‘attacchi’ esterni sui software per opera di soggetti esterni o addirittura organizzazioni criminali. Per contrastare la cosiddetta Cyber Security esistono già due standard, l’SHE v1.1 ed EVITA (E-safety Vehicle InTrusion protected Applications) e la Nexteer è già al lavoro coi Costruttori per aumentare la sicurezza dei propri EPS.
