Nelle macchine munite di sistemi «by-wire» il controllo diretto di tipo meccanico è sostituito da un controllo di tipo elettronico. I sistemi drive-by-wire seguono molto da vicino quelli fly-by-wire impiegati con successo nell’industria aeronautica già da molti anni. Nei controlli tradizionali i movimenti che il guidatore imprime al volante vengono trasmessi meccanicamente attraverso il piantone alla cremagliera e quindi alle ruote anteriori. In un sistema by-wire i movimenti del guidatore, percepiti da un sensore, sono invece convertiti in un segnale elettronico digitale che viene trasmesso ad un’unità di attuazione elettromeccanica «intelligente» (nota con il nome di Smart Electro-Mechanical Actuation Unit, SEMAU), la quale comanda le ruote. Lo stesso principio vale per i sistemi di frenatura e di cambio marcia. Attraverso la sua consociata francese SARMA, la SKF ha più di 15 anni di esperienza nella produzione di controlli «meccatronici» e di unità di attuazione per l’industria aerospaziale civile.

Con l’industria automobilistica internazionale la SKF ha una lunga storia di collaborazione. Il lavoro congiunto con la Bertone rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo dei sistemi drive-by-wire. Altre aziende hanno dato il loro contributo di esperienza, quali la Brembo S.p.A, che collabora con la SKF nello sviluppo dei sistemi brake-by-wire, la Bose e la Nokia. La TTTech ha fornito assistenza per l’impostazione e lo sviluppo dell’architettura della rete di controllo della vettura.

Il considerevole contributo SKF

Tutti i sistemi by-wire della Filo sono stati sviluppati e costruiti dalla SKF. Le unità di attuazione elettromeccaniche sono state appositamente realizzate per gli specifici sottosistemi by-wire. Le unità computerizzate di controllo sono state sviluppate su una base comune, ma gli stadi di programmazione e di alimentazione sono specifici di ciascun sottosistema. La Filo prevede due livelli di alimentazione, quello tradizionale a 14 volt e quello emergente a 42 volt. Frizione e cambio sono sul primo livello, mentre i sistemi che richiedono maggiore potenza, quali lo sterzo e la frenatura, sono sul secondo.

Le singole unità di controllo di attuazione sono sofisticate unità computerizzate che interpretano i segnali provenienti dai diversi sensori e dai vari comandi e alimentano i motori brushless delle SEMAU. L’ambiente base dell’intera architettura by-wire della Filo, con le sue unità di attuazione (Actuation Control Units, ACU), è di tipo sincrono «time-trigger» e «fault-tolerant» della TTTech. Il sistema di frenatura è il frutto del lavoro congiunto fra la SKF e la Brembo, la quale ha realizzato lo speciale corpo delle pinze in cui è sistemata l’unità SEMAU della SKF. La postazione di comando della Filo – la cosiddetta Guida – prevede un sistema attivo di feedback disposto fra le leve del sistema di sterzo, che fornisce al guidatore la necessaria sensibilità di guida. Operando in circuito chiuso con la SEMAU della cremagliera di sterzo e i sensori delle leve di sterzo, un attuatore, caratterizzato da una coppia elevata, fornisce al guidatore la sensazione fisica dell’angolo di sterzata e delle variazioni del manto stradale.

Un aspetto completamente nuovo

Ciò che più colpisce dell’interno della vettura è l’assenza dei pedali e del piantone, cosa che lascia molto più spazio al guidatore. Con la tecnologia drive-by-wire spariscono infatti molti componenti idromeccanici pesanti e ingombranti, e questo ha anche implicazioni positive nei riguardi dell’ambiente, con l’eliminazione del fluido dei freni, oltre ai significativi vantaggi in termini di sicurezza passiva. L’assenza di pedali e piantone è certamente vantaggiosa in caso di incidenti.

Nella Guida il guidatore ha a sua disposizione tutti i comandi di cui ha bisogno. Acceleratore, freno e sterzo sono azionati con le mani. Il cambio marcia si ottiene con un sistema a pulsanti che deriva da quello usato nelle competizioni. Luci, tergicristallo, audio, riscaldamento e condizionamento sono tutti a portata di mano. Le manopole per sterzare a destra e a sinistra sono meccanicamente collegate tra di loro e compiono un’escursione di +/- 20 gradi. Il grado di sensibilità dei comandi è programmabile, come pure il rapporto tra il movimento delle manopole e quello delle ruote anteriori. Nella Filo, l’attuatore dello sterzo è inserito nelle dimensioni del pianale originale.

Gestione dei segnali

Tutti i segnali delle complesse macchine moderne, delle applicazioni aeronautiche e dei sistemi by-wire sono di tipo digitale. La complessità dei sistemi by-wire utilizzati nell’industria automobilistica, che è maggiore di quella delle applicazioni industriali, anche se è considerevolmente minore di quella dei sistemi aerospaziali, presuppone l’esistenza di una rete. A causa della natura dei sistemi usati impiegati negli autoveicoli, questa deve essere robusta e fault-tolerant. Le tradizionali reti aziendali e quelle normalmente impiegate nelle applicazioni con segnali multiplex di alcune vetture, si basano su un protocollo event-driven, il quale è essenzialmente di tipo reattivo, che rimane passivo fino a che non viene richiesto di gestire uno scambio di informazioni. Con tale sistema, se la rete presenta anomalie, il guidatore le scopre solo quando cerca di compiere inutilmente una certa operazione.

Per applicazioni complesse e critiche dal punto di vista della sicurezza, quali i freni e lo sterzo, tale sistema non è abbastanza robusto da garantire il necessario livello di affidabilità. In tali casi si ricorre a un protocollo sincrono o «time-triggered», il quale, a ciascun singolo computer collegato, attribuisce specifici blocchi di tempo. In corrispondenza di ogni blocco, il computer deve rispondere e segnalare che è presente e funziona correttamente. Allorché il computer desidera che venga effettuata una certa operazione, segnala la propria necessità e trasferisce i messaggi appropriati tramite la rete al controller dell’attuatore. La rete controlla continuamente che i nodi (ossia i computer) siano collegati e che diano le risposte appropriate quando richiesto. In tal modo il protocollo fault-tolerant garantisce un comportamento regolare di tutta la struttura di rete e può intervenire opportunamente in caso di anomalie. Con il sistema time-triggered, nel giro di pochi millisecondi qualsiasi anomalia viene rilevata in corrispondenza del successivo blocco che non ha risposto correttamente.

Supponiamo ora che la Filo stia viaggiando in prima. Per passare in seconda, il guidatore deve premere il pulsante «+» della Guida. Questo dà origine all’emissione di una complessa serie di messaggi. La richiesta iniziale arriva all’attuatore (ACU) della frizione, il quale riceve l’istruzione di disinnesto. I segnali vanno allo stadio di potenza dell’ACU, che a sua volta fornisce la corrente per un periodo sufficiente a compiere l’operazione di disinnesto. Se l’operazione è compiuta correttamente, viene inviato un segnale all’ACU del cambio con l’autorizzazione a cambiare marcia. Anche qui, terminata con successo l’operazione, l’ACU del cambio segnala all’ACU della frizione che può ri-innestare. Quella descritta è una semplificazione della sequenza di operazioni: infatti, anche per un’operazione apparentemente semplice come questa, ci sono numerosi stadi intermedi di controllo e scambio di informazioni tra le ACU.

La Filo impiega un tradizionale cambio manuale tipo H e quindi all’unità di attuazione si richiedono movimenti lineari e rotatori molto precisi. Tutti gli attuatori impiegati nella Filo sono sistemi «a secco», ossia il loro funzionamento è puramente elettromeccanico. Le unità operano nel modo descritto qui di seguito. La corrente arriva al motore elettrico dell’attuatore. Tramite una serie di ingranaggi, la cui configurazione dipende dal tipo di operazione che l’attuatore deve compiere, una vite a ricircolo di sfere trasforma il moto rotatorio in un moto lineare, che viene utilizzato per far sterzare le ruote o per fare in modo che le pinze si stringano sui dischi dei freni oppure per cambiare marcia.

Braking-by-wire

Il nuovo sistema di frenatura della Filo è stato sviluppato dalla SKF e dall’italiana Brembo. Esso sfrutta da un lato l’esperienza della SKF nella costruzione degli attuatori elettromeccanici e delle unità mozzo per le ruote, e dall’altro quella della Brembo nella costruzione di pinze per freni e in generale dei sistemi di frenatura. Il sistema di comando dei freni è sistemato sulla Guida e viene attivato stringendo le apposite manopole. Esso prevede una progressiva resistenza allo sforzo e un piccolo, ma chiaramente apprezzabile, gioco all’inizio del movimento, il quale serve a dare al guidatore la sensazione fisica che i freni cominciano ad agire. Ciascun freno agisce come un singolo sottosistema sotto il controllo del sistema generale di frenatura del veicolo.

Attualmente le prestazioni del sistema brake-by-wire della Filo sono già migliori di quelle dei sistemi idraulici tradizionali, con tempi di risposta inferiori e un maggiore carico esercitato dalle pinze. Con il procedere del progetto, i tecnici sono stati in grado di ridurre il peso e le dimensioni complessive del sistema, tanto che ora il gruppo delle pinze è molto compatto e ha un peso paragonabile a quello dei gruppi dei sistemi idraulici tradizionali. La SKF e la Brembo stanno lavorando allo sviluppo di un sistema che si prevede entrerà in produzione nel 2004.

Il software

Il software di controllo è stato suddiviso dalla SKF in tre parti – una per il sistema brake-by-wire, una per i sistemi clutch- e gearshift-by-wire e una terza per il sistema steer-by-wire. Esso si interfaccia con i segnali di ingresso provenienti dalla Guida e i sensori delle unità di attuazione elettromeccaniche intelligenti. Oltre alla regolazione delle singole relazioni, cioè di frenatura, sterzo, ecc., il software ha compiti di supervisione – esercitati soprattutto dal protocollo time-triggered – e si occupa di verificare continuamente la funzionalità dell’intero sistema. Essendo fault tolerant, garantisce l’esistenza di un elevato grado di sicurezza, di rimedio agli errori e di affidabilità.

Gianluca Oberto,

SKF Drive-by-Wire business unit, Italia