Volante con servosterzo variabile: architettura EPS dettagliata

Il rapporto fisso: i suoi limiti in pratica

Un veicolo classico ha un rapporto di sterzo fisso: da fine corsa a fine corsa, tra 2.5 e 3.2 giri di volante, il che corrisponde a un rapporto meccanico di circa 15 a 18 (ogni grado di volante produce da 1/15 a 1/18 di grado alle ruote). Questo compromesso accontenta tutti senza soddisfare nessuno.

A bassa velocità (manovra, parcheggio), il conducente trova lo sterzo troppo demoltiplicato: bisogna girare troppo. Ad alta velocità (autostrada), il rapporto sembra al contrario troppo diretto: un micro-movimento del volante sposta la traiettoria. Gli ingegneri cercano dagli anni '90 di superare questo compromesso.

I primi tentativi erano puramente meccanici: cremagliera a dentatura variabile. La dentatura è più stretta al centro (rapporto lungo) e più larga alle estremità (rapporto corto). Mercedes utilizza ancora oggi questo approccio su alcuni modelli con il nome Direct-Steer. È elegante ma limitato: il rapporto varia in base all'angolo del volante, non alla velocità.

Architettura di un EPS standard

Un servosterzo elettrico (EPS) tipico comprende:

• Una colonna di sterzo collegata al volante da un giunto cardanico.
• Un sensore di coppia (torque sensor) che misura lo sforzo applicato dal conducente.
• Un motore elettrico (sincrono a magneti permanenti, tipicamente) che applica una coppia di assistenza.
• Un sensore di angolo (steering angle sensor, SAS) che misura la posizione assoluta del volante.
• Una ECU che elabora tutto ciò in tempo reale.

Il sensore di coppia è generalmente un sensore di coppia magnetico del tipo Bosch o Nexteer: una barra di torsione separa l'asse d'ingresso (lato volante) dall'asse d'uscita (lato cremagliera). Una torsione micrometrica di questa barra, misurata da sensori Hall, fornisce la coppia applicata. La precisione tipica è inferiore a 0.1 Nm.

Tutto ciò funziona secondo lo standard di sicurezza ISO 26262 al livello ASIL D, il più esigente. Questo è il motivo per cui non si manipola mai un EPS.

Tre approcci per rendere variabile il rapporto

Affinché il rapporto tra angolo del volante e angolo delle ruote vari dinamicamente con la velocità, esistono tre scuole.

Ogni approccio ha un costo, una firma al tatto e un comportamento specifico in caso di guasto.

Audi Dynamic Steering: il treno epicicloidale

Il sistema Audi Dynamic Steering, disponibile su A4, A6, A7, A8, Q5, Q7 e più recentemente Q8 e-tron, si basa su un treno di ingranaggi planetari inserito tra la parte superiore e quella inferiore della colonna di sterzo. Un motore elettrico aggiuntivo pilota la corona del planetario.

Il principio è semplice: se il motore gira nel senso del conducente, aggiunge angolo (rapporto corto, ideale per il parcheggio). Se gira in senso inverso, sottrae angolo (rapporto lungo, ideale per l'autostrada). In assenza di alimentazione, un blocco meccanico fissa il planetario e il rapporto torna fisso: questa è la sicurezza fail-safe imposta da ISO 26262.

Questo approccio consente un rapporto variabile con fattore 2: tra 9.5 (parcheggio) e circa 18 (alta velocità). Il conducente percepisce solo una demoltiplicazione progressiva; questa è la firma dell'Audi Dynamic Steering.

BMW Active Steering e Mercedes Direct-Steer

BMW Active Steering, introdotto nel 2003 sulla Serie 5 E60, funziona su un principio simile ma posiziona il motore di sovrapposizione sull'asse della colonna stessa, non su un treno epicicloidale. Il motore aggiunge o sottrae un angolo in serie con il gesto del conducente. La versione Integral Active Steering combina inoltre una sterzata delle ruote posteriori.

La sensazione di guida è leggermente diversa: si avverte maggiormente la transizione tra rapporto lungo e rapporto corto, soprattutto in curve strette a media velocità. È una questione di gusti. Questa architettura è stata progressivamente eliminata sui nuovi modelli BMW a favore di un EPS classico con rapporto variabile software (sulla Serie 5 G60, ad esempio).

Mercedes Direct-Steer, invece, è l'approccio più semplice: cremagliera a dentatura progressiva. Il rapporto varia da 14 al centro a 11 alle estremità. Nessun motore aggiuntivo, nessuna centralina dedicata, nessuna modalità di guasto. È meccanico puro, il che spiega la sua affidabilità e il suo costo ridotto.

Il rapporto variabile tramite software puro

Con l'arrivo massiccio degli EPS di ultima generazione (architettura rack-EPS o cremagliera assistita da motore lineare), i costruttori hanno capito che era possibile simulare un rapporto variabile semplicemente modulando lo sforzo di assistenza.

Se a bassa velocità la centralina amplifica violentemente l'assistenza, il conducente ha l'impressione che il volante risponda rapidamente. Se ad alta velocità la centralina riduce l'assistenza e irrigidisce il ritorno, il volante sembra più preciso. Il rapporto meccanico grezzo non è cambiato, ma la sensazione sì.

Questo approccio software ha due vantaggi: zero pezzi meccanici aggiuntivi (quindi zero guasti possibili), e regolazione tramite aggiornamento OTA presso i costruttori che lo consentono (Tesla, Mercedes EQS, BMW G60). È la via del futuro.

Decisione pratica per una rifinitura

Quando un cliente ci affida un volante equipaggiato con Audi Dynamic Steering o BMW Active Steering, bisogna capire una cosa: il volante stesso non è il componente intelligente. Il rapporto variabile è gestito dalla colonna e dalla centralina EPS, non dal volante. Una rifinitura del rivestimento non ha assolutamente alcun impatto sul rapporto variabile.

Al contrario, due precauzioni sono d'obbligo. Innanzitutto, non smontare mai la colonna o il giunto di fissaggio tra colonna e cremagliera: questi componenti sono in collegamento diretto con il treno epicicloidale e il loro riassemblaggio richiede coppie specifiche e una calibrazione. Poi, dopo il rimontaggio del volante, un reset SAS (sensore angolo di sterzata) è imperativo affinché la centralina ritrovi il suo riferimento zero.

Sui veicoli con EPS classico (rapporto variabile puramente software), nessuna precauzione particolare oltre al reset SAS. Per questo motivo i modelli recenti sono più semplici da personalizzare.