Simulazione di componenti e sistemi idraulici per applicazioni veicolo (parte 2)

Brake chamber e sistemi di frenatura pneumatici

Il brake chamber (attuatore pneumatico) serve per disattivare il freno di stazionamento.

5.1 Anti-lock (ABS) per i sistemi di frenatura pneumatici

Anche per veicoli dotati di sistemi di frenatura pneumatici possono verificarsi le stesse problematiche viste per sistemi di frenatura idraulici, come il bloccaggio delle ruote, per cui sono previsti sistemi Anti-lock. Il sistema è costituito da piccole solenoid valve (elettrovalvole) che comandano i pistoni otturatori a croce. A destra c’è la porta di connessione con la foot brake valve (valvola a pedale), a sinistra c’è la porta di connessione con il brake actuator air pressure (attuatore del freno) ed infine sotto la exhaust valve c’è la porta di scarico in atmosfera per scaricare la linea dei freni.

In condizione di normale frenatura (fig. 89) l’otturatore destro è in tenuta con la sede inferiore quindi chiude lo scarico in atmosfera, mentre non è in tenuta con la sede superiore che permette all’aria in pressione proveniente dalla valvola a pedale di fluire verso la linea dei freni; quest’ultimo passaggio viene opportunamente chiuso quando agisce l’ABS. L’otturatore sinistro invece non è in tenuta con la sede superiore quindi permette il passaggio di aria in pressione verso la linea dei freni, ma non è in tenuta nemmeno con la sede inferiore perché la sede ha una geometria che non funge da apertura/chiusura con altre vie. Quindi il primo otturatore ha un doppio collegamento a seconda di come è posizionato mentre il secondo otturatore ne ha uno solo.

Figura 89. Condizione di normale frenatura

Se la centralina sente che una o più ruote stanno arrivando nella condizione di bloccaggio entra in funzione l’ABS e si verificano gli stessi stati di regolazione del sistema idraulico.

La prima azione di intervento (fig. 90) per evitare il bloccaggio delle ruote consiste nell’andare a chiudere l’alimentazione della linea dei freni in modo da mantenerne la pressione evitando che il pilota prema di più il pedale inviandone di più. Per fare questo vado ad alimentare la valvola a solenoide sinistra, questa si apre (valve open), fa passare attraverso un foro la pressione che c’è sui freni, arriva sulla membrana dell’otturatore sinistro, viene spinto verso il basso, fa tenuta nella sede superiore e chiude il collegamento con i freni ovvero isola la valvola a pedale con la linea dei freni.

Figura 90. ABS in funzione: prima azione di intervento

Se il mantenimento della pressione non è sufficiente ad evitare che la ruota vada in bloccaggio, l’ABS interviene con la seconda azione di intervento (fig. 91) che consiste nello scaricare la linea dei freni. La valvola a solenoide sinistra viene richiusa (valve closed) quindi l’otturatore sinistro ritorna nella posizione di riposo riaprendo il passaggio del fluido attraverso la sede superiore, mentre la valvola a solenoide destra viene aperta (valve open) quindi fa passare attraverso un foro l’aria in pressione proveniente dal pedale, arriva sulla parte superiore dell’otturatore, viene spinto verso il basso, chiude il passaggio superiore tra la valvola a pedale e i freni ma apre il passaggio inferiore verso lo scarico in atmosfera che permette di scaricare velocemente tutta la linea dei freni in pressione.

Figura 91. ABS in funzione: seconda azione di intervento

6 Tipologie di freni

6.1 Freno a tamburo

Il freno a tamburo è costituito da due ganasce dette leading e trailing. Nell’architettura illustrata (fig. 92) le ganasce hanno i pivot (punto attorno cui ruotano) entrambi nella parte inferiore mentre l’attivazione nella parte superiore che può avvenire mediante un pistoncino idraulico o una camma ad S. Questa architettura fa sì che la ganascia leading e la ganascia trailing si comportino in maniera molto diversa.

La prima ganascia si chiama leading (anteriore) perché l’effetto di attrito tra il ferodo e il tamburo che sta ruotando in senso antiorario genera una reazione sulla ganascia che tende ad avvicinarla al tamburo stesso: self-energising wedging action. Questo aiuta la frenatura ma solo inizialmente perché la ganascia imprimendo un’azione frenante maggiore tende a surriscaldarsi precocemente e a perdere la sua efficacia velocemente.

La seconda ganascia si chiama trailing (posteriore) perché l’effetto di attrito tra il ferodo e il tamburo che sta ruotando in senso antiorario, genera una reazione sulla ganascia che tende ad allontanarla dal tamburo stesso: non wedging action. Questa ganascia quindi frena meno rispetto alla leading.

Figura 92. Freno a tamburo: ganasce con pivot entrambi nella parte inferiore

Per evitare che la ganascia trailing freni meno, a parità di pressione del pistoncino idraulico che aziona la leading, viene messo un pistoncino idraulico più grande che aziona la trailing in modo che un’area più grande imprima una forza maggiore (fig. 93).

Figura 93. Azionamento con camma o idraulico delle ganasce

Le ganasce possono però anche essere entrambe leading (fig. 94) se il pivot della trailing è spostato in alto. Quindi le due ganasce subiscono entrambe la reazione dell’attrito che tende ad attirarle contro il tamburo. È un freno a tamburo molto efficace ma d’altra parte essendo le ganasce entrambe leading le prestazioni crollano rapidamente quando il freno si surriscalda.

Figura 94. Sull’immagine di destra entrambe le ganasce sono entrambe leading (freno a tamburo a doppia ganascia primaria)

Il freno a tamburo a doppia ganascia primaria può essere realizzato nella versione servo (fig. 95). Ciò vuol dire che attivando una ganascia, la sua attivazione comporta l’attivazione della seconda tramite una spinta.

Figura 95. Servo-freno a tamburo a doppia ganascia primaria

Il problema del freno a tamburo ad alte prestazioni (servo-freno a doppia ganascia primaria) è che essendo un sistema chiuso non è esposto all’aria quindi si fa molta fatica a raffreddarlo. Per risolvere questo problema sono stati studiati dei freni che potessero essere molto più esposti all’aria: i freni a disco, che possono anche essere baffati, a margherita, autoventilati. Un’altra alternativa sono i freni a bagno d’olio in cui una serie di dischi vengono impaccati dall’azione dell’olio ad alta pressione nel momento in cui si vuole frenare, ma al contempo il bagno d’olio permette un raffreddamento ancora più efficace.

6.2 Freno a disco

Il freno a disco, per sua natura, non ha il problema del leading-trailing perché non ha più le ganasce ma una pinza freni su cui arriva olio ad alta pressione che fa chiudere le pastiglie sul disco. La pinza può essere fissa e nel contempo viene fatto muovere il pistoncino, ma ci sono anche delle versioni con il corpo della pinza mobile in cui l’olio manda pressione sul pistone che a sua volta esercita una pressione sia sulla pastiglia di destra, sia sulla pastiglia di sinistra tramite la pinza.

Figura 96. Freno a disco con corpo pinza mobile

Nei freni a disco c’è però il problema legato al consumo dei bordi d’attacco della pastiglia perché uno si consuma più velocemente dell’altro, quindi vengono montate pastiglie aventi uno spessore maggiore nella parte che si usura di più (fig. 97).

Figura 97. Pastiglie con spessore differenziato

7 Sistema di sterzatura

Per le autovetture il sistema di sterzatura idraulico è un servo sistema dove la potenza idraulica assiste l’azione di sterzatura, mentre nei mezzi pesanti è puramente idrostatico dove l’azionamento avviene puramente con la potenza idraulica perché occorre imprimere delle forze maggiori per poter sterzare le ruote (pneumatici molto grandi, mezzo pesante, ecc).

Nel sistema di sterzatura meccanico ho una connessione diretta tra il volante e le ruote che avviene tramite una colonnina dello sterzo, un albero cardanico, un pignone, una cremagliera (scatola guida) e un attuatore meccanico lineare. Il movimento di rotazione applicato al volante viene quindi trasmesso al pignone e poi trasformato in movimento lineare tramite l’attuatore. In questo modo qualsiasi ostacolo tra ruota/terreno (buche, irregolarità della strada, ecc) viene trasmesso al volante tramite vibrazioni, che risulta anche più duro da girare quando il veicolo non è in movimento a causa di tutta la coppia resistente dovuta principalmente agli attriti fra pneumatici e strada.

Figura 98. Sistema di sterzatura meccanico

Per ridurre lo sforzo richiesto dal pilota, ridurre il numero di giri da fare al volante per girare la ruota e disaccoppiare le ruote dal volante al fine di rendere il controllo del veicolo più stabile (le vibrazioni vengono smorzate) è stato interposto un servosterzo idraulico (fig. 99). Il layout di partenza è lo stesso (volante, colonnina dello sterzo, albero cardanico) ma prima dell’accoppiamento pignone/cremagliera c’è una valvola rotativa (distributore rotante al cui interno c’è una spola che non fa uno spostamento lineare bensì rotante) che si apre nel momento in cui sterzo, inviando olio ad un attuatore idraulico (non più meccanico).

Figura 99. Sistema di sterzatura con servosterzo idraulico

Si analizza un servosterzo idraulico TRW.

Nelle auto l’attuatore idraulico è costituito da un cilindro a stelo passante ovvero un unico pistone con lo stelo (dotato di dentellatura per la connessione col pignone) che fuoriesce da entrambi i lati del cilindro per avere una soluzione simmetrica. Nei mezzi pesanti invece l’attuatore è a doppio cilindro, uno per ciascuna ruota.

Figura 100. Attuatore idraulico per auto

La valvola rotativa (distributore rotante) ha il ruolo di aprire le connessioni per portare attraverso un tubicino il fluido dalla pompa verso la camera A a sinistra del pistone, e attraverso un altro tubicino connettere a scarico la camera B a destra del pistone, con il risultato di far muovere il pistone verso destra. Viceversa, connettendo la camera A allo scarico e la B alla pompa, il risultato è di far muovere il pistone verso sinistra. Come nella frenatura, la valvola è dotata di una retroazione (feedback) che parzializza la sterzatura perché altrimenti il pistone si sposterebbe fino a fine corsa non appena si girerebbe il volante.

Figura 101. Distributore rotante

In figura 101 l’input sulla valvola è dato dalla doppia linea sulla destra che identifica l’albero cardanico che gira in un senso o nell’altro quindi il volante. Nella posizione centrale tutte le porte (P: pump, T: tank, L: camera sx dell’attuatore idraulico, R: camera destra dell’attuatore idraulico) sono connesse fra loro. La valvola è a centro aperto (P e T connessi tra loro nella condizione di riposo, ma in questo caso sono connessi anche con L e R) ma questo significa che ci sono delle dissipazioni perché la pompa, trascinata dal MCI, genera potenza anche quando non si sterza, scaricando il fluido nel serbatoio; però questo garantisce la mobilità dell’attuatore dello sterzo in modo da compensare eventuali sollecitazioni che avvengono nel contatto ruota/terreno; nel caso di un centro chiuso il pistone appena tenterebbe di muoversi comprimerebbe la camera, farebbe aumentare esponenzialmente la pressione in questa e diminuirla esponenzialmente nell’altra facendola andare in cavitazione senza che in questa venga inviata portata per compensare l’aumento di volume.

Il centro chiuso è utilizzato negli attuatori dei mezzi agricoli perché con un centro aperto diventerebbe molto faticoso mantenere una traiettoria in quanto il sistema autoreagirebbe alle elevate sollecitazioni.

Figura 102. Distributore rotante

Analizziamo nel dettaglio il distributore rotante (fig. 102).

I diversi componenti sono montati all’interno della carcassa.

Il cassetto (spola) ha un foro assiale in cui c’è la barra di torsione vincolata all’estremità di sinistra del cassetto da una spina elastica mentre è incastrata all’estremità di destra al pignone (rocchetto a denti elicoidali), quindi la barra di torsione ricevendo tramite un albero a doppio giunto cardanico la rotazione dallo sterzo è in grado di torcere l’estremità sinistra di circa 7° mentre l’altra rimane ferma; questa rotazione è sufficiente per aprire e chiudere delle luci (i fori sulla spola) di connessione con lo scarico, la pompa e l’attuatore.

La camicia è la parte esterna della spola e può ruotare rispetto alla spola ma è fissa rispetto al pignone poiché vincolata dalla spina di centraggio. Sulla camicia sono realizzate fresature e fori che permettono la comunicazione delle luci ricavate sulla spola con quelle ricavate sulla carcassa ovvero con la camera di destra del cilindro di sterzatura (R), la camera di sinistra (L), una connessione con la linea della pompa (P) e con lo scarico (T). Lo smusso sulla camicia visibile nella vista di dettaglio garantisce il centro aperto perché il flusso in ogni caso fluisce anche in minima quantità verso lo scarico.

Il pignone tramite una molla va ad ingranare con la dentiera che fa parte dello stelo dell’attuatore. Il cuscinetto a sfere è necessario per il sostentamento del carico e per l’allineamento all’estremità di destra del componente.

Figura 103. Funzionamento del distributore rotante

L’accoppiamento tra pignone e camicia usando la spina di centraggio è necessario per il riallineamento della camicia con la spola per generare l’azione di feedback. Il funzionamento è il seguente: applico una rotazione allo sterzo → viene impressa una rotazione alla barra di torsione → la barra trascina con sé la spola → il distributore cambia posizione quindi si ha un flusso di portata (es.: si connette R con P e L con T) → si muove l’attuatore → la dentiera trascina il pignone, il quale inizia a ruotare → il pignone, ruotando, induce una rotazione all’elemento cilindrico e alla spina (pin), la quale trascina con sé la camicia → la camicia insegue la rotazione della spola, così da ristabilire la posizione di riposo iniziale al distributore (posizione centrale a centro aperto) e questo funge da feedback per la prossima azione sterzante.

Per capire al meglio come avvengono le connessioni sulla valvola rotante del servosterzo idraulico si osserva il seguente schema (fig. 104). Nella figura in alto si può vedere la valvola rotante tagliata e disposta su un piano. La linea tratteggiata indica la spola mentre la linea continua indica la camicia. Lateralmente è rappresentata la traccia della spina per il centraggio della camicia.

Nella seconda immagine è riportata una sezione trasversale della stessa valvola. Il distributore è nella posizione neutra (posizione di by-pass), quindi la spola (elemento interno campito) è centrata; la linea P è connessa alla linea R, che a sua volta è connessa con lo scarico (lo si vede dallo zoom, nel quale è visibile un piccolo scoprimento; lo stesso vale per tutti i fori). Effettuando una sterzatura a destra (connessione PR-LT), osservo una rotazione della spola in senso orario, andando così a coprire la connessione tra P e L e aprendo maggiormente quella tra P e R. La camicia insegue la spola con una rotazione opposta per effetto della retroazione, riportando il distributore nella posizione di riposo. In caso di sterzatura a sinistra, invece, si osserva una rotazione in senso antiorario della spola, con conseguente connessione PL-RT.

Figura 104. Connessioni sulla valvola rotante

7.1 Rappresentazione simbolica del sistema di sterzatura idraulico con pompa a cilindrata fissa

Analizziamo ora la rappresentazione simbolica del sistema visto precedentemente.

Figura 105. Layout ISO del sistema di sterzatura idraulico con pompa a cilindrata fissa

Nella parte del servosterzo abbiamo l’attuatore che è un cilindro a stelo passante a doppio effetto quindi entrambe le movimentazioni sono fatte mandando il fluido in una camera o nell’altra, cui alimentazione avviene attraverso il distributore rotante 4/∞ posizioni a centro aperto (P e T connesse). L’attivazione della valvola avviene tramite il comando a doppia linea che rappresenta il volante connesso all’albero cardanico a sua volta connesso alla spola, mentre la linea superiore orizzontale della valvola che è prolungata fino alla doppia linea proveniente dallo stelo del martinetto indica una connessione meccanica tra la camicia della valvola e lo stelo del martinetto che genera la retroazione meccanica: il martinetto spostandosi trascina con sé anche la camicia della valvola.

Dopo il distributore c’è una check valve che evita nel caso in cui dovessimo avere un’avaria col gruppo di generazione (la parte relativa alla pompa ZF) di mandare in cavitazione una camera dell’attuatore: ad esempio in caso di sterzata a destra, nel momento in cui il distributore arriva a fine corsa giunge alla posizione sinistra (PL-RT), però se c’è un’avaria della pompa, sulla linea P non arriva olio in pressione quindi il pilota deve sterzare meccanicamente il volante facendo muovere manualmente il pignone sulla cremagliera, il pistone si muove verso destra facendo comprimere l’olio nella camera di destra mentre la camera di sinistra va in cavitazione perché il volume aumenta e al contempo non c’è olio in arrivo dalla pompa che può far innalzare la pressione; la check valve allora si apre e interviene facendo fare un ricircolo di olio dalla camera in pressione (o dal serbatoio a terra T) verso la camera che si depressurizza e che potrebbe andare in cavitazione, in modo da innalzare la pressione al suo interno.

Figura 106. Check valve in funzionamento in fase di avaria del gruppo di generazione

Nella parte del gruppo di generazione c’è una pompa a cilindrata fissa (esiste anche con una pompa a cilindrata variabile che è meno dissipativa) e delle valvole per la regolazione del sistema. Il problema è scegliere una pompa di taglia adeguata in modo che la velocità minima di rotazione del motore a combustione in