La grande evoluzione dei sistemi di sterzo e tutti gli accorgimenti per migliorare la guidabilità e il comfort di un’auto. Lo stato dell’arte di un sistema che ha fatto grandi conquiste in termini di sicurezza e piacere di guida.

 

I sistemi sterzanti montati sulle automobili di oggi sono il frutto di una lunghissima evoluzione, così lunga che sarebbe impossibile ripercorrere le tappe storiche che hanno portato alla tecnologia progettuale moderna.
Così come è inutile soffermarsi sullo storico sistema sterzante in cui le ruote sterzanti girano di un medesimo angolo.
È evidente, anche per chi ha poca dimestichezza con la cinematica, che la ruota interna e quella esterna di un veicolo, nel momento in cui vengono ruotate debbano per forza essere mosse di angoli differenti.
Innanzitutto, pensiamo ai tratti di circonferenza immaginari che le due ruote traccerebbero percorrendo una traiettoria curva. La ruota interna descriverebbe una circonferenza di raggio minore e quindi, di fatto, si troverebbe a percorrere un tratto di strada più breve.
Questo è il motivo per cui sull’asse delle ruote motrici viene montato un differenziale.
Inoltre, se le due ruote venissero girate della medesima quantità, si troverebbero a dover ruotare su traiettorie innaturali, perché il loro centro istantaneo di rotazione non coinciderebbe.
Quando i centri di rotazione non coincidono, le ruote tracciano tratti di circonferenza non paralleli e, quindi, oltre al rotolamento andrebbero incontro a un parziale strisciamento.
Questo è il motivo per cui la maggior parte delle automobili utilizzano il sistema sterzante a quadrilatero di Jeantaud.
Senza entrare in un ambito eccessivamente tecnico, questo sistema consente alla ruota interna di sterzare di un angolo maggiore rispetto a quella esterna, cosa che consentirà di mantenere coincidenza tra i centri di istantanea rotazione.
 
L’evoluzione dei sistemi di sterzo
Il sistema con pignone e cremagliera è quello utilizzato sulla stragrande maggioranza dei veicoli.
La scatola dello sterzo, collegata al volante mediante un piantone dotato di giunti cardanici, contiene il pignone e la cremagliera.
Il compito del primo è trasformare il moto rotatorio del volante in moto assiale della cremagliera. In pratica, il pignone che riceve il moto dal volante trasmette il carico assiale sulla cremagliera. Quest’ultima, sfrutta i tiranti laterali, a loro volta fissati al portamozzo, per ottenere la sterzatura.
Il rapporto di trasmissione tra pignone e cremagliera è pensato per ottenere una moltiplicazione della forza che il driver applica al volante. In altre parole, per rendere la sterzatura sufficientemente leggera, il pignone ruoterà a un numero di giri superiore rispetto alla cremagliera.
Venendo all’aspetto più pratico, possiamo pensare di inquadrare i rapporti di trasmissione utilizzati separando i veicoli commerciali dalle automobili.
Per i primi, dove il carico sugli assi è sensibilmente più elevato, il rapporto di trasmissione tipico supera ampiamente i 20:1, e in molti casi si riescono anche a superare rapporti di 30:1.
Per le automobili, il discorso è più variabile, perché bisogna distinguere tra auto sportive e auto pensate per un impiego più propriamente turistico. Per avere una risposta più diretta, un’automobile può adottare rapporti anche di 10:1 (è bene ricordare, comunque, che quando il rapporto diventa più diretto, cresce il valore della forza da applicare al volante). Per diminuire il carico da applicare sul volante, e non avere una riposta eccessivamente immediata ai comandi impartiti, per le automobili meno sportive vengono scelti rapporti pari a 15:1 o anche a 20:1.
Nel sistema a pignone e cremagliera, il primo presenta una dentatura elicoidale che va a ingranare con quella della cremagliera. Si tratta di una soluzione poco costosa, molto compatta e, allo stesso tempo, che può anche essere realizzata con un rapporto di trasmissione variabile.
Aspetto molto interessante, visto che sui tratti rettilinei potrebbe essere auspicabile avere un rapporto più diretto, mentre nelle manovre cittadine, il conducente preferirebbe avere un voltante meno pesante per un dispendio di energia inferiore.
 
Arriva il servosterzo
L’evoluzione successiva ha visto l’introduzione della servoassistenza idraulica, un modo per separare in un certo senso il rapporto di trasmissione dallo sforzo richiesto al conducente.
Un pistone comandato idraulicamente viene fissato alla cremagliera. Quando il guidatore inizia una sterzata, la forza da lui impressa sul pignone si somma a quella generata idraulicamente sul pistone, e quindi sulla cremagliera, in modo da ottenere la risultante necessaria alla rotazione. Variando i valori di pressione si possono ottenere gradi differenti di assistenza.
Come spesso accade, “l’appetito vien mangiando” e dunque potendo disporre di un controllo adeguato della velocità del veicolo, con il passare del tempo si è pensato di introdurre il servosterzo a controllo elettronico.
Con questa soluzione, il comando delle forze idrauliche in gioco viene costruito esclusivamente in funzione della velocità del veicolo, portando al massimo l’assistenza alle basse velocità e diminuendola ai valori più bassi nel caso di andatura elevata.
 
Fuel-economy ed emissioni: un’altra evoluzione
Come molti potranno immaginare, con il procedere delle richieste da parte delle normative in termini di consumi ed emissioni inquinanti, i progettisti hanno dovuto lavorare su numerosi fronti.
Lo sterzo ha offerto alcuni spunti interessanti a riguardo. Tanto che a qualcuno venne in mente di introdurre una servoassistenza di tipo elettrico, affidando a un motore elettrico vero e proprio il compito di aggiungere la forza necessaria per rendere agevole la sterzata.
Per funzionare, questo sistema utilizza un sensore di coppia e un rilevatore di numero di giri del volante al fine di decidere le strategie di intervento del motore elettrico montato sul piantone.
Il motore elettrico, che in questo caso viene montato direttamente sul piantone di sterzo, fornisce la coppia aggiuntiva necessaria per abbattere lo sforzo a carico del conducente.
Il servosterzo elettrico, noto anche con l’acronimo EPS (Electrical Power Steering) ha dalla sua alcuni innegabili vantaggi. Uno di questi, e forse anche il più importante, riguarda il suo assorbimento energetico.
A differenza dei più tradizionali sistemi idraulici che in genere generano un assorbimento di potenza costante nel tempo, il servosterzo elettrico interviene solo quando necessario e quindi il dispendio energetico può essere controllato.
Si tenga conto che il servosterzo elettrico è uno dei tipi di asservimento oggi più diffusi.
A completamento del discorso sull’assistenza elettrica, aggiungiamo che esistono anche sistemi in cui l’assistenza viene fornita direttamente sulla cremagliera.
 
Nota tecnica sulla sicurezza
Un delle più grandi conquiste in tema di sicurezza arriva proprio dai sistemi di sterzo con l’introduzione dei piantoni collassabili.
Un tempo, il collegamento del volante con le ruote avveniva mediante elementi a corpo unico che, in caso di impatto, costituivano serio pericolo per il conducente. Oggi i piantoni sono a lunghezza e inclinazione regolabile e in caso di urto sono in grado di collassare permettendo al volante di arretrare senza costituire pericolo per gli occupanti.
Nei più moderni steer-by-wire, poi, il concetto è stato elevato alla sua massima potenza, visto che non esiste più un collegamento fisico tra volante e ruote, ma come molti che ci leggono già sanno, i movimenti impartiti dal driver vengono tradotti, grazie all’utilizzo di sensori, in movimenti del pignone di sterzo, solitamente grazie all’impiego di un sistema di assistenza totalmente elettrico.