Sterzo elettrico: come funziona e collabora con i sistemi ADAS?

Le normative antinquinamento richiedono auto sempre più ecologiche, le case costruttrici rispondono inventando nuove tecnologie che abbattono la produzione di CO2 e aumentano la sicurezza del conducente. Uno dei componenti rivisti e modificati negli anni è stato lo sterzo elettrico, un componente ormai essenziale senza il quale non sarebbe possibile avere funzionalità avanzate di guida assistita o il parcheggio autonomo o in remoto delle auto moderne con sistemi ADAS. Da una semplice combinazione di tubi metallici e snodi collegati alle ruote delle auto ai primi del '900 ad un sistema elettrico sempre più complesso e affascinante da scoprire. Ma qual è la sua struttura e quali sono i vantaggi rispetto ad uno sterzo idraulico? Dopo aver visto come funzionano gli alternatori, il linguaggio con cui parlano le centraline e i sensori, in questo articolo scopriremo come lo sterzo elettrico (ElectricPowerSteering EPS) ha rivoluzionato il concetto di condurre l'auto e come ha aumentato la sicurezza e comfort di guida grazie ai sistemi di assistenza alla guida. Entreremo al suo interno e spoglieremo il Rack EPS dei suoi componenti per capire come uno funziona uno sterzo elettrico e come collabora con i sistemi di sicurezza più innovativi.

CENNI STORICI SULLO STERZO Il compito principale degli organi dello sterzo è permettere al conducente la direzionalità dell'auto girando il volante, ma la rotazione del volante viene rapportata a quella delle ruote. Ad esempio, la rotazione di un giro completo del volante, di 360 gradi, permette allo sterzo di compiere una sterzata pari a 20 gradi, il rapporto di sterzata è di 18.1. Un rapporto di sterzata maggiore implica una rotazione maggiore del volante per sterzare le ruote, l'opposto avviene per le vetture da corsa che hanno invece una rotazione limitata e pertanto un rapporto di sterzata più basso ed uno sterzo più “diretto”. Ora che abbiamo visto cosa si intende per rapporto di sterzata dobbiamo capire quali componenti formano uno sterzo, quanti tipi ce ne sono e quali sono state le sue evoluzioni. Uno sterzo solitamente è composto da un volante collegato al piantone dello sterzo o asta di collegamento che trasmette il moto rotatorio alla scatola dello sterzo, la quale lo converte in moto rettilineo grazie ad una barra trasversale (auto meno recenti) o una cremagliera (auto più recenti) etc. Da qui dei tiranti trasversali collegati al fuso a snodo permettono la movimentazione delle ruote e quindi il cambio di direzione.

DALLO STERZO IDRAULICO A QUELLO ELETTRICO Poi, la storia dell'auto ci ha portati a scoprire la servoassistenza con lo sterzo idraulico composto da una pompa, azionata solitamente dal motore o da una cinghia, che tramite delle tubazioni spingeva l'olio all'interno di un cilindro, lo stesso forniva assistenza alla sterzata e grazie al collegamento con i leveraggi dello sterzo permetteva la rotazione delle ruote riducendo la forza necessaria a sterzare. Ma ormai anche questa tipologia di sterzo sta svanendo a causa delle normative antinquinamento e la corsa alla produzione di motori sempre più parchi. Oggi, il sistema sterzante più usato e diffuso è lo sterzo elettrico. Ciò non è accaduto a caso, i vantaggi dello sterzo elettrico rispetto ai precedenti sono numerosi.

STERZO ELETTRICO TIPOLOGIE E VANTAGGI La tecnologia più diffusa sulle auto recenti è lo sterzo elettrico. I vantaggi sono molteplici, la sua struttura è compatta e quindi meno pesante. Non c'è il rischio di perdite di olio e grazie ai sistemi di assistenza alla sterzata rende la dinamica di guida più sicura e confortevole. Non assorbendo potenza al motore, abbassa la produzione di emissioni ed il consumo di carburante. Ci sono diverse varianti di sterzo elettrico che equipaggiano le auto, dal sistema a colonna (CEPS) solitamente montato sulle utilitarie, dove il sistema della servoassistenza è ubicato direttamente a ridosso del volante sulla colonna dello sterzo. Al piantone singolo (SPEPS), montato nelle vetture medie, con il motore elettrico e il sensore di coppia disposti direttamente a ridosso o solitamente davanti al gruppo pignone-cremagliera. Una soluzione supplementare è quella a Doppio Pignone (DPEPS), in questo caso abbiamo due pignoni collegati direttamente uno al motore elettrico e disaccoppiato dalla cinematica sterzo e l'altro calettato alla cremagliera della scatola guida. Infine troviamo il sistema definito come servosterzo a cremagliera EPS o Rack EPS, nelle prossime righe andremo a spogliarlo dei suoi componenti e vedremo nel dettaglio come funziona, nel video qui sotto.

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LO STERZO LEGGE LA FORZA DEL CONDUCENTE Cosa succede quando ruotiamo il volante? Mediante l'asta di collegamento andiamo ad agire sull'albero dello sterzo che permette un movimento rotatorio del pignone. La cremagliera integrata all'interno della scatola dello sterzo a circolazione di sfere e calettata al pignone, trasforma il movimento rotatorio in traslatorio o lineare e permette la movimentazione delle ruote grazie ai tiranti trasversali collegati saldamente alla scatola dello sterzo. Per permettere una migliore fluidità nella rotazione delle ruote un motore elettrico, collegato al comando della cremagliera, agevola il movimento della stessa creando così la servoassistenza necessaria durante la guida. Ma come riesce a capire il motore elettrico quanta assistenza deve fornire? Un sensore di coppia montato tra l'albero dello sterzo ed il pignone calcola la coppia o la forza applicata al conducente sul volante durante la rotazione grazie a elementi che variano la resistenza elettrica. Successivamente invia un segnale di tensione alla centralina di comando dello sterzo che dopo avere elaborato l'input e tenuto conto delle informazioni fornite dalle altre centraline del sistema autotelaio, invia un comando al motore elettrico che provvederà ad assistere il guidatore nell'operazione di svolta.

SERVOASSISTENZA E SISTEMI DI ASSISTENZA ALLA GUIDA La percezione dello sterzo che abbiamo guidando la nostra auto ad alte velocità e durante un parcheggio ovviamente non è la stessa, questo perché l'assistenza alla sterzata varia il supporto che offre al conducente in funzione della velocità del veicolo. Come? Quando percorriamo un tratto autostradale ad una velocità sostenuta il motore elettrico supporta di meno lo sterzo rispetto a quando stiamo effettuando un parcheggio. La centralina sterzo legge i valori messi in rete da parte delle centralina ESP e motore. I dati della prima vengono impiegati per conoscere la velocità del veicolo mediante i sensori giri ruota e l'angolo di rotazione del volante ottenuto dal sensore angolo di sterzata posto sotto il volante. Dalla centralina motore invece rileva il segnale “motore attivo” mediante il numero di giri indicati dal sensore di giri motore e comanda la sevoassistenza.

STERZO ELETTRICO E ADAS Quando entrano in gioco le funzionalità avanzate dei sistemi ADAS, l'assistenza alla guida può subentrare al conducente durante situazione critiche ad esempio il mantenimento della corsia di marcia o l'evitamento di un ostacolo contro cui andrebbe a sbattere l'auto. In questo caso i sensori dell'ESP che hanno il compito di monitorare la stabilità del veicolo, in caso di una accelerazione trasversale anomala informano la centralina dello sterzo dello stato della vettura. A sua volta la centralina sterzo mediante il sensore di coppia e i dati ricevuti valuta la situazione ed avvia mediante un comando al motorino elettrico dello sterzo una misura antagonista per riportare l'auto in carreggiata. Questa è una delle funzioni che riesce a svolgere lo sterzo elettrico ma con l'introduzione di radar e telecamere a bordo delle auto lo sterzo ha incrementato ulteriormente il suo raggio d'azione. Ad esempio la funzione Assistenza al mantenimento di corsia (Lane keeping AID di Ford o Keep Lane Assist di Mercedes etc) è basata sulla cooperazione tra la telecamera montata sul parabrezza e lo sterzo elettrico. Durante la guida la telecamera monitora le linee di demarcazione, che devono esser ben visibili e mediante un software calcola e misura la loro dimensione. Qualora il conducente uscisse fuori da questo “campo” il sistema inizialmente emetterebbe un segnale sotto forma di vibrazione sul volante o alert acustico. Se il conducente non reagisce, lo sterzo avvia una sterzata controllata per riportare l'auto in carreggiata. Grazie allo sterzo elettrico è possibile anche parcheggiare l'auto trovandosi fuori dall'auto ma questo è un passaggio ulteriore che ci porterà sempre più vicini alle auto che guidano da sole.