Costruzione di autoveicoli

Introduzione

L’automobile è un sistema complesso la cui realizzazione, dalla progettazione alla produzione (e alla manutenzione), richiede competenze multidisciplinari relative alla meccanica, elettronica, informatica e all'economia. L’automobile è un mezzo di trasporto. Tuttavia, sarebbe riduttivo considerarla soltanto come mezzo di trasporto; facciamo un esempio: una Ferrari è una automobile top dal punto di vista delle prestazioni ma è meno funzionale al trasporto rispetto, ad esempio, ad una Fiat Panda (che ha 5 porte anziché 2, che consuma di meno, che inquina di meno, ecc…).

L’automobile ha cambiato radicalmente il nostro modo di vivere; può considerarsi l'espressione della creatività, dell’ingegno, della passione, del gusto e della capacità tecnica dell’uomo, la quale è in grado di trasmettere emozioni. Dunque, l’automobile è stata ed è uno strumento di libertà e di sviluppo sociale. Questi sono gli aspetti positivi; gli aspetti negativi riguardano il fatto che essa è diventata l’indicatore dello status sociale ed economico e, soprattutto, è una fonte di inquinamento ambientale e rischio per la salute e la sicurezza delle persone.

Le automobili sono il prodotto della creatività, dell’intelligenza e dell’abilità tecnica dei progettisti. Alcune di esse trasmettono intense emozioni e, per tale motivo, possono essere considerate opere d’arte. Guardando il mondo dell’automobilismo da questa prospettiva, ecco che possedere una Ferrari acquista un senso: la Ferrari non è tanto un mezzo di trasporto ma un’opera d’arte che trasmette emozioni visive, uditive, ecc…

Un po’ di storia

Vediamo un po’ di storia iniziando dal significato del termine “automobile”, cioè “veicolo che si muove da se”. La storia delle automobili, per come le conosciamo oggi, ha inizio poco più di un secolo fa, con la nascita dei primi grandi costruttori, in Europa e in Nord America. I primi passi, però, sono stati fatti oltre quattro secoli fa:

• 1673: Prima ipotesi di motore endotermico, azionato da carica esplosiva, ideato dal fisico olandese C. Huygens.
• 1690: Prime idee di D. Papin sull’applicazione del vapore in pressione ad una carrozza semovente.
• 1769: Carro a vapore costruito da N.J. Cugnot.

Il carro a vapore di Cugnot è caratterizzato da una caldaia e da due cilindri verticali agenti sulla ruota anteriore mediante arpionismi. Quindi il combustibile, che si trova nella caldaia, brucia generando vapore e mandando, di conseguenza, l’acqua in pressione. L’acqua in pressione mette in moto un pistone contenuto all’interno di un cilindro il quale, a sua volta, permette ad un sistema di arpionismo di muovere le ruote facendo avanzare il carro.

Nel 1803, R. Trevithick, il quale aveva già realizzato la locomotiva su rotaie, ebbe l’idea di montare un sistema simile su una carrozza semovente al fine di realizzare una vettura a vapore, la quale era caratterizzata da un cilindro orizzontale, con un meccanismo a biella manovella che agisce sulle ruote posteriori. Tuttavia, mentre l’applicazione ferroviaria era più pratica perché le masse e le dimensioni consentite erano maggiori, nel caso della carrozza questa era una soluzione molto poco pratica e, quindi, non ebbe un grandissimo successo.

Nello stesso periodo (1807) continua questa competizione combustione interna vs combustione esterna. A tal proposito, venne creato da Isaac de Rivaz un prototipo di un veicolo con motore a combustione interna, atmosferico (vuol dire che non c’è compressione), a cilindro verticale, utilizzante gas illuminante con accensione a scintilla.

Nel 1824 S. Carnot pubblica il suo trattato sui motori termici, nel quale definisce il ciclo di funzionamento e il rendimento massimo ottenibile. Non fu un risultato pratico ma, in qualche modo, si era inquadrato bene il problema e si era capito una cosa molto importante: la compressione è necessaria (e, quindi, il motore atmosferico non era la soluzione adatta).

Competizione tra motori

Dunque, per un certo tempo c’è stata competizione tra diversi tipi di motori per l’autotrazione (senza che uno di questi prendesse il sopravvento):

• Motori a combustione esterna (a vapore);
• Motori a combustione interna;
• Motori elettrici.

In campo automobilistico, i motori a combustione interna sono stati la tecnologia vincente (almeno fino ad oggi). In campo ferroviario, il vapore ha dominato fino a quando non è stato sostituito dalla trazione elettrica; anche in campo navale, la propulsione a vapore è stata la tecnologia universalmente usata (dopo il tramonto della propulsione a vela) e lo è ancora in alcuni casi, anche se i motori a combustione interna hanno in gran parte soppiantato il vapore.

Nel 1854 fu costruita da V. Bordino il primo veicolo semovente realizzato in Italia, una carrozza a vapore caratterizzata da due cilindri orizzontali con trasmissione diretta sull’assale posteriore conformato ad albero a gomiti (quindi non ci sono più i sistemi di arpionismo).

In generale, le vetture a vapore erano abbastanza pratiche e raggiunsero un notevole livello di sviluppo; inoltre, erano molto silenziose ed erano capaci di raggiungere delle buone prestazioni. Tuttavia, avevano un difetto non trascurabile: per essere messe in moto bisognava aspettare 30-40 minuti affinché il vapore andasse in pressione.

Nel frattempo, anche l’elettrico giocava la sua partita. Nel 1823 venne realizzata da Jacobi la prima automobile elettrica; successivamente, il 29 aprile del 1899 Camille Jenatzy raggiunge la velocità massima di circa 106 km/h con un veicolo elettrico a forma di razzo chiamato “Jamais Contente”; non erano i 200 km/h delle vetture a vapore ma, comunque, rappresentava un risultato interessante.

Evoluzione dei motori

Per qualche tempo le auto elettriche convissero con quelle a motore termico; tuttavia, i limiti tecnologici delle batterie (e cioè: autonomia ridotta, consumo non costante, peso delle batterie, ecc…) e dei sistemi di controllo della trazione (che si tramutavano in un comportamento alla guida piuttosto brusco) le resero perdenti rispetto alla trazione termica.

La soluzione per le automobili arrivò dalla Germania nel 1884, anno in cui fu concepito da G. Daimler il primo motore a combustione interna adatto all’uso su un veicolo, un mono cilindrico verticale, a 4 tempi, da 0,5 CV; pur avendo poca potenza (la quale poi venne incrementata), questo motore si rivelò la soluzione vincente in quanto rispettava i requisiti di leggerezza e autonomia.

Nel 1886 venne realizzata da Karl Benz una vettura con motore monocilindrico da 0,8 CV a 250 g/min; sostanzialmente, questa auto era un triciclo, in quanto non erano ancora stati sviluppati i cinematismi per il controllo dello sterzo con le quattro ruote. Infatti, la vettura realizzata da Daimler e Maybach nello stesso anno era a quattro ruote ma le ruote anteriori avevano lo stesso sistema di sterzo delle carrozze, e cioè tutto l’assale anteriore ruotava intorno a un’asse verticale (la ralla); questo sistema ha lo svantaggio di ridurre il poligono di appoggio della vettura in curva e, inoltre, conferisce alla vettura piccoli raggi di curvatura.

La storia dell’automobile non è solo la storia del motore. Nel 1817 G. Längensberger brevetta, attraverso R. Ackermann (il suo agente in Inghilterra) i requisiti di sterzatura corretta. Questo modello prevede che:

• Le ruote posteriori abbiano l’asse di rotazione coincidente che va ad incrociare il centro di curvatura della traiettoria;
• Le ruote anteriori, quelle sterzanti, per poter essere anch’esse sull’asse di rotazione che va ad incrociare il centro di curvatura in modo che la sterzatura sia corretta (e, cioè, in modo che ogni ruota percorra una traiettoria che abbia come centro il centro di curvatura) debbano ruotare rispetto all’asse longitudinale del veicolo con due angoli diversi, i quali cambiano in funzione della posizione del centro di curvatura.

Quindi, non era così banale trovare un cinematismo che consentisse ai due angoli di essere sempre quelli corretti; infatti, Längensberger stabilì soltanto quali fossero i requisiti di sterzatura corretta ma non inventò un sistema di sterzatura corretta. Bisognerà attendere il 1878 affinché un costruttore di carrozze chiamato C. Jantaud potesse realizzare il primo cinematismo di sterzo in grado di approssimare la geometria di Ackermann il quale, in sostanza, consiste in un trapezio che collega le due ruote.

Nel 1828 F. Pecqueur inventa e brevetta il primo differenziale e lo applica all’assale motore di un carro a vapore; il differenziale è un dispositivo molto importante che consente di ripartire la coppia tra le due ruote motrici consentendo una diversa velocità di rotazione e, quindi, un corretto assetto in curva.

Date significative

Altre date significative per la storia dell’automobile sono:

• 1839: G. Goodyear inventa il processo di vulcanizzazione della gomma, il quale era basato su un ciclo termico e sull’aggiunta di zolfo ed era in grado di realizzare una gomma sufficientemente resistente.
• 1845: R. W. Thompson brevetta il primo pneumatico, il quale fu pensato inizialmente per l’applicazione alle ruote dei carri; tuttavia, fu adottato da subito anche sulle automobili in quanto dimostrò una capacità di ridurre dello sforzo di trazione richiesto ai cavalli e un miglioramento del comfort.
• 1887: R.A. Bosch inventa l’accensione a magnete.
• 1888: J. B. Dunlop inventa, per la seconda volta, lo pneumatico e lo brevetta, ma nel 1890 il brevetto viene annullato per la priorità di Thompson.
• 1892: R. Diesel brevetta il motore con l’omonimo ciclo termodinamico.
• 1896: I fratelli Michelin iniziano la produzione di pneumatici per automobili.
• 1899: I fratelli Renault fondano la Renault e producono la prima vettura con un cambio dotato di presa diretta.
• 1894: Prima vettura progettata e costruita in Italia da E. Bernardi, caratterizzata da un motore monocilindrico orizzontale da 624 cc, 4 CV a 800 g/min con velocità massima raggiungibile pari a 35 km/h.
• 1899: Nasce la FIAT (Fabbrica Italiana Automobili Torino).
• 1899: Nasce in Francia il primo Codice della strada. Prevede limiti di velocità di 30 km/h fuori città e di 20 km/h in città. Inoltre, viene istituita la patente di guida.
• 1905: Primo innesto a frizione a disco, introdotto da De Dion-Bouton.
• 1908: Nasce la General Motors, che riunisce la Buick (1902), la Cadillac (1902), la Oldsmobile (1897) e nel 1918 la Chevrolet (1910).
• 1910: Nasce la Società Anonima Lombarda Fabbrica Automobili, ALFA. Nel 1920, l’Ing Romeo legherà il suo nome a quello dell’ALFA, dando origine al marchio Alfa Romeo.
• 1910: La Isotta Fraschini, casa fondata a Milano nel 1899, introduce la frenatura sulle quattro ruote (all’inizio le velocità eranto tali per cui la frenatura era necessaria solo sulle ruote posteriori per garantire un rallentamento).
• 1912: Cadillac introduce l’avviamento elettrico (prima l’avviamento avveniva con la manovella).
• 1920: Prima pressa per stampaggio di lamiera di acciaio per opera di Artz in Germania, la quale rende la produzione di scocche di automobili “di serie” abbassando, di conseguenza, i costi di produzione (fino ad allora la produttività era molto bassa, in quanto le lavorazioni erano tutte manuali).
• 1921: Primo impianto frenante idraulico (innovazione rispetto all’impianto a filo d’acciaio), introdotto da Lockheed e applicato ad una vettura Duesemberg (USA).
• 1922: Lancia realizza la prima vettura con telaio integrato strutturalmente con la parte bassa della scocca e con le sospensioni anteriori indipendenti.
• 1927: Invenzione del processo di saldatura elettrica dei pannelli di lamiera, per opera di Budd e Dodge (USA); altro passo importante verso l’industrializzazione dell’automobile.
• 1927: Bosch brevetta la prima pompa a iniezione per gasolio ad alta pressione; quindi, consente lo sviluppo del motore diesel.
• 1928: Primo cambio ad innesti sincronizzati, realizzato da Packard (USA).
• 1939: Primo impianto di aria condizionata per l’abitacolo, applicato da Packard (USA).
• 1947: Invenzione dello pneumatico senza camera d’aria da parte di Goodrich.
• 1948: Primo cambio automatico realizzato da Buick.
• 1952: Primo servosterzo idraulico prodotto dalla GM.
• 1953: I freni a disco vengono applicati per la prima volta su una Jaguar.
• 1954: Primo servofreno a depressione installato su vetture Ford e Chevrolet.
• 1959: Volvo introduce la prima cintura di sicurezza a tre punti, perfezionando quella introdotta da Chevrolet nel 1957.
• 1960: Prime leggi USA di regolamentazione delle emissioni dei motori, per iniziativa del Senatore E. Muskie; da questa data in poi comincia il lungo percorso di innovazioni che pongono il focus sulla salvaguardia dell’ambiente.

Dagli anni sessanta ad oggi, le soluzioni tecniche sono state sviluppate ad un ritmo sempre più rapido, spesso rilanciando idee che nel passato non ebbero fortuna, magari per la mancanza di tecnologie o di materiali adatti o, forse, solo perché il pubblico non era ancora pronto.

Il futuro dell’automobile

Quale sarà il futuro dell’automobile? Propulsione elettrica e guida autonoma sono le due parole chiave del futuro. Si può ipotizzare che, in futuro, l’automobile non sarà più di proprietà delle persone ma sarà un servizio che viene fornito mediante dei sistemi automatici di trasporto. Nonostante il progresso tecnologico vada avanti e le esigenze cambino molto rapidamente, le vetture intese come piacere e divertimento personale (e non solo come un mezzo di trasporto) continueranno ad esistere e verranno realizzate sfruttando le tecnologie più sofisticate per ottenere le massime prestazioni.

Statistiche

Ora vediamo le statistiche di uso dei mezzi di trasporto. In particolare, questi dati statistici sono utili per comprendere l’importanza del trasporto su gomma in generale, e delle automobili nello specifico, nonché l’impatto sociale che questo tipo di trasporto comporta. Le banche dati di riferimento sono quelle che nel mondo si occupano di fare un monitoraggio dell’industria dell’automobile:

• ANFIA (Associazione Nazionale fra le Industrie Automobilistiche)
• ACEA (European Automobile Manufacturer Association)
• ISTAT
• Eurostat

Cominciamo col chiederci quanti veicoli esistono al mondo; nel 2018 si è registrato il numero impressionante di 1.118.410.000 autovetture alle quali vanno sommati 296.960.000 veicoli industriali, per un totale di 1.415.370.000 veicoli. Calcolando che nel 2018 la popolazione mondiale era di 7.632.800.000 persone e considerando le sole autovetture si ricava che esiste un’automobile circolante ogni 6,8 persone. Ovviamente, il valore ricavato è una media globale e non il valore specifico per ogni Paese; infatti, si è calcolato che, in Italia, alla fine del 2018 il valore si aggirava intorno a un’automobile circolante ogni 1,6 persone.

Guardando i dati relativi al parco circolante di vetture passeggeri in diversi Paesi nel 2005 e nel 2014 si può determinare quale sia il trend dell’uso dei mezzi di trasporto in ciascuno di essi: in questo modo si può determinare quale sia la geografia economica del mondo che riguarda il mondo delle automobili. Diversa è la situazione per il parco circolante di veicoli commerciali.

Per quanto riguarda più nello specifico il parco circolante di vetture passeggeri in Europa occidentale possiamo dire che ci fu un grosso incremento nel periodo che va dal 1970 fino al 2010; da quel momento in poi si è registrata una riduzione sostanziale nella crescita del numero di vetture passeggeri:

I dati relativi al parco circolante nello scenario italiano sono: il trend relativo alle autovetture circolanti in Italia è: come si può vedere, tra gli anni 1950 – 1970 ci fu un’impennata in termini numerici di autovetture circolanti in Italia; questo è dovuto al fatto che, in quel periodo, l’auto è passata dall’essere un bene di lusso a un oggetto per tutti.

Per quanto riguarda la produzione mondiale di autovetture possiamo dire che dal 1960 ad oggi il trend è stato sempre più o meno crescente:

Distinguendo la produzione di autovetture per aree geografiche possiamo notare come, dal 2005 ad oggi, la situazione sia cambiata radicalmente: l’Europa, che fino ad allora era il maggior produttore di autovetture, ha subito un decremento della sua produttività, mentre il gruppo BRIC (Brasile – Russia – India – Cina) ha avuto un incremento esponenziale fino a diventare il principale produttore di automobili al mondo:

La produzione mondiale di veicoli ordinata per costruttori è: per quanto riguarda la produzione di autoveicoli nei diversi Paesi possiamo dire che, a partire dagli anni 60’, in Giappone, Sud Corea, Brasile e Germania c’è stato un incremento importante fino a che non ci si è stabilizzati intorno ad un certo valore; in USA il mercato ha subito diverse oscillazioni dovute alla situazione socio-politica.