Appunti Costruzione di autoveicoli

Architettura del veicolo

L’architettura generale di un veicolo dipende dall’utente al quale esso è destinato e dall’uso che egli ne intende fare; difatti, la scelta dell’architettura influenza le caratteristiche funzionali, il comportamento dinamico, le prestazioni, la capacità di carico ed il costo del veicolo. Tra gli elementi fondamentali dell’architettura generale hanno particolare rilievo la disposizione e la massa dei principali organi meccanici.

In particolare, il motore può essere posto nella parte anteriore, posteriore o centrale del veicolo ed orientato longitudinalmente o trasversalmente (in base all’asse dell’albero motore). La trazione invece può essere posteriore, anteriore o su entrambi gli assi. Nel caso di veicoli elettrici o ibridi, va considerata anche la disposizione delle batterie. Nelle vetture prodotte fino alla prima metà del secolo scorso, la disposizione della meccanica era basata sulla classica posizione anteriore longitudinale del motore, in linea con il cambio e la trasmissione, e la trazione posteriore.

Il motore può essere posto avanti o dietro l’asse delle ruote anteriori, a seconda dello spazio disponibile, dall’architettura generale del veicolo, dalla finalità, ecc. Nei veicoli della prima metà del Novecento, il motore era posto generalmente dietro l’asse delle ruote anteriori. L’architettura con motore anteriore longitudinale consente anche la trazione integrale: questo appesantisce la vettura perché è necessario avere un differenziale anche sull’assale anteriore, che consente più grip con il terreno, ma anche un differenziale centrale per svincolare le velocità medie dell’assale anteriore e posteriore.

La ripartizione della trazione tra le quattro ruote è utile anche su strada liscia, perché allontana i limiti di aderenza ripartendo i carichi trasversali sulle ruote, soprattutto quando parte dell’aderenza viene usata per la trazione. Nell’architettura con motore anteriore longitudinale, questo può essere avanti all’asse delle ruote anteriori e corrisponde alla soluzione adatta alla trazione anteriore o integrale perché proprio il motore è messo avanti all’asse delle ruote anteriori. La trazione anteriore richiede un giunto omocinetico, essendo le ruote anteriori sterzanti.

Difatti, il giunto trasmette il moto tra due alberi garantendo l’uniformità della velocità di rotazione di entrambi, a prescindere dall’angolo che essi formano. È costituito da due elementi concentrici, in contatto tra loro tramite sfere. Nell’architettura attualmente di gran lunga più diffusa, il motore è disposto anteriormente e trasversalmente e la trazione è anteriore. Questa soluzione lascia il massimo spazio abitabile possibile ed una buona guidabilità. Inoltre, il cambio si trova subito sotto il motore o di lato.

Dal punto di vista delle prestazioni dinamiche, la migliore disposizione in assoluto della meccanica è la posizione centrale e la trazione posteriore (o integrale). Per spiegare questa affermazione, immaginiamo di schematizzare una vettura, di massa 1500 kg, con due masse (meccanica e carrozzeria), poste ad una certa distanza tra di loro. Consideriamo la vettura in curva che deve acquisire una velocità angolare di imbardata, con la velocità di percorrenza della curva pari a 20 m/s, con un tempo di inserimento di 0,4 s. Si deduce che la velocità angolare è 0,4 rad/s, mentre l’accelerazione angolare è 937,6 rad/s², quindi il momento di imbardata è pari a 937,6 Nm.

La forza trasversale che ne deriva è quella che applicata con una distanza rispetto al baricentro, pari a metà del passo, deve coincidere con un momento d’imbardata pari a 2 Nm. Invece, se immaginiamo di avvicinare le masse (0,625), si riduce il momento d’inerzia a 586 Nm. Riproponendo calcoli analoghi al caso precedente, trovo una riduzione del 75% rispetto al caso precedente, cioè aver spostato le masse in centro conferisce all’auto un’accelerazione angolare maggiore.

Invece, per quanto riguarda la scelta della trazione posteriore come migliore soluzione, dal punto di vista delle prestazioni dinamiche possiamo giustificarla nel modo seguente: immaginiamo di analizzare la situazione statica di una vettura. In accelerazione, aumenta la capacità traente dell’asse posteriore e si riduce quella dell’anteriore, cioè avviene un trasferimento di carico all’asse posteriore, durante l’accelerazione. Pertanto, è conveniente che gli organi meccanici siano, per quanto possibile, raggruppati al centro della vettura, per rendere minimo, a parità di massa, il momento di inerzia della vettura.

È altresì evidente che la soluzione tutto avanti, con motore anteriore trasversale, a sbalzo, e la trazione anteriore, per quanto consenta un’ottima abitabilità, certamente non sia adatta per ottenere un buon comportamento dinamico della vettura. Un’ulteriore soluzione è quella del “tutto dietro” (motore e trazione): il motivo di avere motore e trazione posteriori è lo stesso di quello di avere tutto avanti, ossia eliminare la trasmissione e guadagnare abitabilità. Questa soluzione è stata in voga tra gli anni ‘50 e ‘70 ma è poi stata abbandonata, ma non da tutti come Porsche che ne ha fatto un elemento distintivo. Non è la soluzione migliore dal punto di vista della dinamica della vettura, ma Porsche ha saputo bilanciare perfettamente la distribuzione delle masse, ottenendo una delle migliori vetture sportive mai costruite.

La soluzione “tutto dietro” non è adottata soltanto da Porsche, ma anche da due piccole utilitarie, ossia la Renault Twingo e la Smart. Intorno alla metà del Novecento ci fu una rivoluzione nel mondo dell’automobile, diventò popolare. L’auto popolare fu ideata quasi simultaneamente in Italia, in Francia, in Gran Bretagna ed in Germania, con architetture molto diverse, ma tutte con il comune denominatore del basso costo di acquisto, dell’economia di gestione, della semplicità e della facilità di uso.

È interessante vedere come questa idea sia stata sviluppata in modo molto diverso in queste nazioni e come, in tutti i casi, abbia contribuito a cambiare radicalmente il modo di costruire ed utilizzare le automobili.

Progettazione di sistema

L’approccio sistemico alla progettazione consiste nel definire le specifiche tecniche di ogni componente o sottosistema, in modo tale che il veicolo, nel suo complesso, svolga le proprie funzioni secondo le modalità previste e gli obiettivi assegnati. La specifica tecnica consiste nell’insieme delle grandezze, e delle relative misure, atte a definire, in modo completo, un componente o un sistema. Le specifiche tecniche definiscono le prestazioni che si vogliono ottenere ma non gli elementi di dettaglio che ne garantiscono l’ottenimento.

L’approccio sistemico alla progettazione consente di eseguire un progetto, comunque complesso, suddividendo le attività che lo compongono tra squadre che operano parallelamente ed assegnando ad ognuna di esse obiettivi autonomamente verificabili, finalizzati al raggiungimento delle prestazioni complessive previste. La progettazione sistemica costituisce la fase iniziale di ogni progetto, durante la quale si verifica la fattibilità degli obiettivi stabiliti. L’insieme delle specifiche dei componenti principali di una vettura che soddisfano gli obiettivi stabiliti è comunemente detto concept.

Il concept, ovvero l’architettura del veicolo, è quella serie di caratteristiche che inquadrano perfettamente il veicolo nel panorama internazionale, in un determinato contesto sociale. L’obiettivo è la soddisfazione del cliente, ed è dunque di fondamentale importanza aver individuato correttamente il cliente. È questa la fase nella quale è il marketing a dettare la linea da seguire, ma contano moltissimo competenza ed esperienza tecnica del costruttore (“know-how”); in altri termini, le tradizioni ed il prestigio del marchio. Da tutte queste caratteristiche derivano l’architettura generale del veicolo e le principali soluzioni tecniche.

Stabilita l’architettura, inizia il progetto di ogni sistema. Parallelamente al progetto della vettura, c’è lo sviluppo delle tecnologie costruttive e della linea di produzione. I passi fondamentali che devono essere eseguiti per arrivare alla specifica tecnica sono:

• Definire le funzioni del sistema;
• Definire le grandezze che meglio misurino tali funzioni;
• Definire i valori obiettivo delle grandezze per ottenere la soddisfazione del cliente;
• Definire quali componenti facciano parte del sistema;
• Identificare eventuali funzioni di altri sistemi in competizione, con quelle indicate al punto 1);
• Per ogni componente, stabilire un insieme coerente di specifiche che garantisca l’ottenimento, a livello di veicolo completo, della soddisfazione del cliente.

I sottosistemi principali di un autoveicolo sono:

• Autotelaio: insieme di componenti che presiedono alla guida del veicolo sulla strada (trasmissione, sospensioni, ruote, freni, ...);
• Motore: insieme di componenti destinati alla generazione della forza motrice (motore, impianto di alimentazione del combustibile, ...);
• Carrozzeria: struttura di connessione di tutti gli organi meccanici e di contenimento dell’abitacolo (oltre alla scocca, comprende molti sottoinsiemi e componenti interni, dai sedili alle finiture, ...);

Parliamo adesso delle funzioni percepite dal cliente:

• Estetica: corrisponde forse il primo contatto ed il principale elemento di valutazione nella scelta di una determinata automobile da parte del cliente. Non riguarda solo l’esterno della vettura, ma anche l’interno, il disegno dei dettagli e la scelta dei materiali. Riguarda anche alcuni organi meccanici, dalla carenatura del motore alle ruote;
• Utilizzazione dello spazio: l’obiettivo primario di un veicolo è il trasporto, pertanto, il cliente si aspetta uno spazio razionalmente utilizzabile. Lo spazio dedicato agli organi meccanici ed alle strutture è da limitarsi al minimo, contenendo le dimensioni di ogni singolo componente;
• Ergonomia: riguarda in generale la piacevolezza dell’interazione col veicolo e quindi la minimizzazione del lavoro fisico nell’uso del veicolo;
• Comfort climatico: rappresenta la capacità di mantenere, all’interno del veicolo, condizioni ottimali di temperatura, umidità e qualità dell’aria, in qualunque condizione climatica esterna ed in ogni parte del veicolo;
• Comfort dinamico: è la capacità di non far percepire, se non in minima parte, i disturbi acustici e vibrazionali, provocati dal mondo esterno e dal veicolo stesso. È stato dimostrato che un veicolo totalmente silenzioso può essere pericoloso per sé e per gli altri;
• Prestazioni dinamiche: rappresenta la capacità del veicolo di muoversi agevolmente sulla strada;
• Prestazioni direzionali (maneggevolezza): si tratta dell’attitudine del veicolo a seguire docilmente i comandi del pilota di variazione della traiettoria e della velocità;
• Sicurezza: può essere passiva (capacità del veicolo, in caso di impatto, di evitare o limitare lesioni agli occupanti, a pedoni e ad altri veicoli, ma anche di limitare l’entità delle riparazioni di danni causati da urti a bassa velocità), attiva e preventiva;
• Resistenza all’invecchiamento: è la capacità della vettura di conservare inalterate, per un lungo periodo o, comunque, di limitare il degrado entro limiti accettabili delle prestazioni e delle caratteristiche iniziali. È espressa dal parametro 10¹⁰ che rappresenta la durata non superata dal 10% dei veicoli.

Riprendiamo le specifiche tecniche: si deve stabilire cosa sia rilevante, in un certo componente, per l’ottenimento delle prestazioni richieste per il sistema. In particolare, le grandezze che esprimono i requisiti al componente, le condizioni nelle quali le grandezze devono essere misurate, i valori delle grandezze ed il campo di tolleranza accettabile per il buon funzionamento del sistema. La specifica tecnica deve essere direttamente correlata alle funzioni che si vogliono ottenere sul veicolo e deve essere dominabile dal fornitore, nel processo di fabbricazione, senza che sia necessaria una conoscenza diretta del veicolo che utilizzerà quel componente.

Nella progettazione di sistema, per valutare alcune caratteristiche di un autoveicolo, esistono dei requisiti oggettivi (prestazioni dinamiche, maneggevolezza, sicurezza passiva, ergonomia) e soggettivi (comfort termico, dinamico). I requisiti oggettivi sono misurati con idonea strumentazione, in condizioni di prova prestabilite e ripetibili, con alla guida piloti professionisti. (Valutare un’auto in questi termini vuol dire essere fuori dall’esigenza del mercato odierno, il quale valuta anche altri parametri, perché ad esempio un cliente non va ad ispezionare l’accelerazione nel catalogo nel momento dell’acquisto). Le prove possono avvenire senza contro-reazione da parte del pilota (condizione di “open loop”, consistente nel guidare il veicolo su una traiettoria circolare, cioè prova di “steering pad”) oppure con contro-reazione (condizione di “closed loop”).

I requisiti soggettivi sono valutazioni affidate a giurie di utenti, composte da piloti, sia professionisti e sia non professionisti (nel caso dei requisiti oggettivi, invece, vi erano solo piloti professionisti). Infine, vi è un’elaborazione statistica per avere una media dei valori delle varie caratteristiche analizzate. Per quanto concerne la sicurezza passiva, il livello di protezione degli occupanti, in caso di urti da parte di un veicolo è una caratteristica impossibile da valutare per l’utente, neppure qualitativamente. I requisiti di sicurezza passiva, richiesti dalle normative, sono minimi.

Tuttavia, i costruttori hanno innalzato molto il livello di sicurezza passiva delle proprie vetture, soprattutto negli ultimi quindici anni, ben al di sopra dei requisiti richiesti dalla normativa. I primi studi sistematici internazionali sulla sicurezza passiva dei veicoli risalgono agli anni '70, con il progetto ESV (“Experimental safety vehicle”). Soltanto nel 1990, fu resa disponibile una prova d’urto condivisa, in piena scala, per la valutazione oggettiva del livello di protezione degli occupanti. Il test prevedeva prove di urto frontale e laterale. Successivamente furono introdotte anche prove su componenti e prove sulla protezione dei pedoni. Le prime prove si limitavano a valutazioni sulla deformabilità del veicolo, senza alcuno studio biomeccanico sugli occupanti.

Negli USA, invece, si prevedevano già prove con l’impiego di manichini, e sono stati sviluppati per le varie differenze fisiche (donne, uomini, bambini, magri, grassi). Nel tempo sono stati sviluppati altri manichini specializzati al fine di renderli il più possibile simili al corpo umano. In tutto ciò, i manichini devono essere tarati prima di essere utilizzati (si esegue la taratura della testa, delle costole) e la disponibilità di codici e simulazioni con elementi finiti permette di migliorare ancor di più la qualità dei test.

Per come è costruito, il manichino può dare informazioni sul danno subito durante l’urto. Uno degli indicatori utilizzati è l’HIC (“Head Injury criteria”):

\[ HIC = \left( t_2 - t_1 \right) \left( \frac{1}{t_2 - t_1} \int_{t_1}^{t_2} a(t) dt \right)^2 \leq 1000 \]

dove \(a\) = accelerazione di gravità; \(t_1\), \(t_2\) = istanti di tempo durante il crash, separati da un intervallo non maggiore di 36 ms. Un sistema di valutazione è l’Euro NCAP, che assegna un numero di stelle per indicare il risultato complessivo della prova, dove il massimo punteggio corrisponde a 5 stelle. A quest’ultimo se ne possono aggiungere altri sei per la presenza di dispositivi di sicurezza non richiesti dalle normative. Le prove prevedono un urto frontale disassato contro una barriera deformabile ed un urto laterale.

Proprio per questo, venne introdotta la traversa anteriore per la ripartizione della forza sugli elementi assorbitori longitudinali. Le forze d’urto devono essere efficacemente orientate sulle parti del veicolo, in cui l’energia può essere più facilmente assorbita. La zona di assorbimento d’urto frontale deve collassare in modo controllato, limitando quanto più possibile la deformazione dell’abitacolo. Il movimento all’indietro del volante e dei pedali deve essere limitato.

Pneumatici

La funzione degli pneumatici è il sostegno del veicolo attraverso uno scambio di forze con il suolo in direzione normale e, soprattutto, consentire il movimento e guida del veicolo, attraverso lo scambio di forze con il suolo in direzione parallela. Oltre a queste due vi è la funzione di sospensione del veicolo, attenuando le accelerazioni trasmesse al veicolo dovute alle asperità della superficie stradale. Le caratteristiche principali sono l’aderenza (per consentire forze trasversali a fronte del carico verticale) e la cedevolezza (filtro per le asperità); le ruote rigide non hanno queste caratteristiche ma vengono utilizzate in ambito ferroviario perché la forma tronco-conica delle ruote ha un effetto autocentrante, sufficiente a mantenere l’assile allineato al binario, durante la marcia, senza che il bordo debba toccare la rotaia.