Lo sterzo? Determina il carattere di un’auto

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Non se ne può fare a meno, è il contatto diretto con la strada: parliamo dello sterzo. Cosa fa di uno sterzo un ottimo sterzo? E come funziona? Seguiteci nel reparto progettazione di BMW e diventerete veri esperti sugli organi dello sterzo.

Il 5 giugno 2020

Un ottimo sterzo rende l’auto precisa e facile da guidare. Influisce in maniera determinante sul divertimento alla guida.
Dr. Markus Viertlböck

Responsabile reparto progettazione sistemi di sterzo di BMW

Il divertimento alla guida dipende da tanti fattori: il design, il motore, il telaio e lo sterzo. Lo sterzo? Sì, proprio lui. Ma come si esegue una taratura ineccepibile sullo sterzo? E perché solo una BMW si guida come una BMW? Rispondono due esperti: Steffen Koch, Responsabile Gruppo progettazione sistemi di sterzo BMW, e Christian Heiss, Progettazione dinamica di guida BMW.

L’aspirazione di ogni ingegnere che lavora sullo sterzo: tutti i componenti dello sterzo e del telaio devono dare a chi guida gli elementi necessari per essere un guidatore migliore.
Steffen Koch

Responsabile Gruppo progettazione sistemi di sterzo BMW

Piccolo glossario sullo sterzo

A

Ammortizzatore di sterzo:
l’ammortizzatore dello sterzo assicura che il volante non ruoti mai troppo velocemente.

Assistenza:
garantisce il funzionamento del servosterzo. Uno sterzo puramente meccanico viene azionato dalla forza fisica che il conducente esercita sul volante.

C

Comportamento dello sterzo:
la capacità del veicolo di trasformare direttamente i comandi di guida in deviazioni dalla marcia rettilinea.

L

Limite di aderenza:
la piccola area in cui l’auto, ad esempio, percorre una curva senza sbandare né andare fuori controllo.

M

Marcia rettilinea:
la capacità del veicolo di procedere in linea retta senza intervenire sul volante.

R

Ritorno:
il ritorno assicura che il volante ritorni sempre in posizione di marcia rettilinea, in modo da garantire una ➜ marcia rettilinea ottimale.

S

Sforzo di sterzata:
la forza che il conducente deve esercitare per muovere lo sterzo (➜ assistenza).

Ecco come si costruisce uno sterzo

Lo sterzo di un veicolo è composto dalle seguenti parti: le barre di accoppiamento, la scatola dello sterzo, il piantone dello sterzo e il volante. A questi si aggiungono gli elementi dello sterzo dell’assale posteriore che possono essere aggiunti come optional su determinati modelli. Per ottenere la caratteristica sensazione di guida di un tipico sterzo BMW, è importante collaborare strettamente con tutti i fornitori, che consegnano a BMW i componenti in forma modulare. Poi si passa alla taratura fine: gli ingegneri e i piloti collaudatori adattano i componenti al telaio, all’ammortizzatore di sterzo, alle sospensioni e ai freni.

Rappresentazione semplificata di un sistema di guida.
Assistenza, ammortizzatore di sterzo e ritorno sono i tre elementi chiave che determinano la sensazione dello sterzo.
Christian Heiss

Progettazione dinamica di guida BMW

Assistenza, ammortizzatore di sterzo e ritorno sono i tre elementi chiave che determinano in gran parte la sensazione dello sterzo (vedere anche “Piccolo glossario sullo sterzo”). Questi fattori dipendono dalla velocità della vettura, dalla rapidità dello sterzo e dalle forze che agiscono sulla scatola dello sterzo. Tutti questi parametri vengono adattati a ogni variante dei modelli della gamma BMW. Questo significa che, anche all’interno di una famiglia di modelli, le varianti di motore e carrozzeria possono differenziarsi per il loro comportamento di sterzo, e questo richiede un grande lavoro di adattamento.

La guida di un’auto deve essere intuitiva.
Steffen Koch

Responsabile Gruppo progettazione sistemi di sterzo BMW

Come avere uno sterzo perfetto

Uno sterzo tarato correttamente compensa le imperfezioni del fondo stradale e gli errori del conducente, senza che questi se ne accorga. Semplifica la guida, la rende più rilassata e sicura, spiega l’esperto Koch, facendo anche degli esempi: “Se percorrete un’autostrada con la carreggiata ristretta a causa di un cantiere, dovete muovere spesso il volante per correggere la traiettoria. Lo sterzo di un’auto dovrebbe essere tarato in modo che una correzione di questo genere non sia necessaria.”

Contemporaneamente, lo sterzo deve trasmettere all’automobilista lo stato del fondo stradale, in modo che possa affrontare con la stessa serenità una strada piena di curve e il tragitto verso il supermercato, spiega Heiss. Uno sterzo efficiente deve anche coprire tutta la gamma delle situazioni di guida. Deve essere possibile calcolare il comportamento di guida di una BMW per ogni tipo di conducente, professionista o principiante che sia. O come dice Koch: “Deve essere prevedibile e lineare. E l’auto deve fare quello che il conducente si aspetta a qualsiasi velocità.”

Naturalmente, soprattutto in caso di una sterzata diretta (l’auto reagisce direttamente ai comandi di guida, altrimenti sarebbe lenta), la forza sterzante deve essere adeguata al tipo di veicolo e alla velocità. Se lo sterzo è troppo morbido, il veicolo viene sterzato troppo: si esercita una forza eccessiva senza volere. In questo caso, entrano in gioco i componenti ben tarati come scatola dello sterzo & Co.: migliore è la progettazione, maggiori sono le possibilità di ottenere una taratura fine.

La difficoltà consiste nell’adattare l’ampia gamma di possibilità di taratura al modello in questione. Per una BMW Z4, ad esempio, il contatto diretto con il fondo stradale e il comportamento di guida sono la cosa più importante, mentre per una BMW Serie 7 sono più importanti gli aspetti legati al comfort. In questo modo, ognio modello ha il suo “carattere” individuale. Così Heiss illustra le priorità nella taratura dello sterzo.

Le tappe principali della storia dello sterzo

  • Servosterzo idraulico: questo sistema di assistenza allo sterzo rappresenta una delle evoluzioni più importanti della tecnologia dello sterzo. L’azione idraulica supporta la forza del conducente. Quando il servosterzo idraulico non esisteva, parcheggiare era come allenarsi in palestra. Solo con il servosterzo idraulico è stato possibile offrire veicoli più grandi e più pesanti a una maggiore platea di clienti, spiega Koch.
  • Servotronic: il passo successivo nella storia dello sterzo idraulico è stato il Servotronic. Permette di variare il tipo di assistenza allo sterzo, soprattutto in base alla velocità. Nelle manovre, il Servotronic permette di sterzare con poca fatica e conferisce stabilità a velocità più elevate. Al contrario del normale servosterzo idraulico, oggi sono possibili entrambe le cose, aggiunge Koch: “Parcheggiare comodamente, ma anche avere una guida sportiva veloce, dove il divertimento è in primo piano”.
  • Sterzo elettrico: l’ingegner Koch chiama lo sterzo elettrico il “big bang” della storia dello sterzo: offre i vantaggi di un Servotronic, ma fa risparmiare carburante, perché il motore elettrico della scatola dello sterzo EPS (Electric Power Steering) utilizza solo energia elettrica quando si sterza. Dato che di solito si guida in linea retta, contribuisce attivamente al risparmio di carburante, arrivando addirittura al tre per cento. Sembra poco, ma non lo è. Inoltre, l’EPS permette tutte le funzioni di sterzo, dall’assistente al parcheggio alla guida autonoma.
  • Sterzo dell’assale posteriore: uno sterzo dell’assale posteriore consente una guida ancora più agile, perché migliora la stabilità in carreggiata a velocità elevate (le ruote posteriori sterzano nella stessa direzione delle ruote anteriori) e rende il veicolo più maneggevole a velocità più basse (le ruote posteriori sterzano nella direzione opposta rispetto alle ruote anteriori). Il raggio di sterzata si riduce notevolmente. Con uno sterzo dell’assale posteriore, in pratica, è come se l’auto si “riducesse” di una classe per quanto riguarda le manovre. Nella gamma BMW, lo sterzo dell’assale posteriore è disponibile sulla nuova Serie 5 e su altri modelli.

Lo strumento preferito dell‘ingegnere: il “popometro”

“Popometer” è una buffa parola che, in tedesco, descrive la capacità di regolare la dinamica di guida basandosi sulle sensazioni dei tecnici collaudatori più che sui calcoli. In tedesco, “Popo” è la parola che usano i bambini per indicare il posteriore, quindi in italiano si potrebbe parlare di “popometro”. Tutti i computer del mondo non possono sostituire la sensibilità e l’esperienza di un pilota collaudatore. O come dice l’esperto BMW Heiss: “Per noi, il cosiddetto ‘popometro’ è lo strumento di taratura più importante in assoluto.” Almeno nell’ultima fase del processo di taratura dello sterzo. Quando il veicolo arriva nel reparto applicativo dopo la progettazione dello sterzo, si tratta di dargli carattere.

Prima si usano le tecniche di misurazione. La prima parte del percorso (il 30 per cento) per la progettazione dei componenti può essere fatta con il computer. Fino all’80 per cento del lavoro di progettazione si può fare con il computer. Ma l’ultimo 20 per cento, la taratura fine o, come racconta Koch, “il percorso ideale per definire il tipico feeling dello sterzo”, può essere gestito solo dall’uomo. Per verificare i risultati, spiega Heiss, e per mostrare gli aspetti problematici, i dati del computer possono essere utili. Ma poi, tutto è affidato alla sensibilità e all’esperienza dell’ingegnere progettista responsabile. Nel futuro prossimo, aggiunge Koch, è difficile pensare che qualcosa possa cambiare, perché i computer non possono svolgere questo compito al posto degli uomini.

Per noi, il cosiddetto ‘popometro’ è lo strumento di taratura più importante in assoluto.
Christian Heiss

Progettazione dinamica di guida BMW

Più comfort e sicurezza: la Pull-Drift Compensation

In BMW siamo convinti che il complesso degli organi di sterzo tarati correttamente garantisca la massima sicurezza. Koch e Heiss sottolineano all’unisono che, in fatto di sicurezza, non si scende a compromessi. Ma anche sul comfort si fanno ricerche continue, ed è così che è nata un’altra funzione degli sterzi BMW, la Pull-Drift Compensation.

Che cos’è la Pull-Drift Compensation? L’ingegner Koch lo spiega con l’esempio seguente: per vari motivi (pioggia, ecc.), i fondi stradali si deteriorano creando per lo più una pendenza verso un lato. Un conducente che si sposta su un rettilineo deve sempre controsterzare per non “scendere” verso il lato della pendenza. Questo richiede un certo sforzo. Il sistema riconosce che il conducente vorrebbe guidare senza sterzare, quindi il conducente riceve una coppia più elevata per supportare l’azione dello sterzo. È ancora necessario sterzare, ma con una coppia molto minore e quindi in modo più piacevole.

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La nuova BMW Serie 4 Coupé.
La nuova BMW Serie 4 Coupé.
La nuova BMW Serie 4 Coupé.
La nuova BMW Serie 4 Coupé.
La nuova BMW Serie 4 Coupé.
La nuova BMW Serie 4 Coupé in sezione: dettaglio delle ottimizzazioni della dinamica di guida.
In fatto di sicurezza, non scendiamo a compromessi.
Steffen Koch

Responsabile Gruppo progettazione sistemi di sterzo BMW

Il futuro è vicino: l’importanza dello sterzo per le auto a guida autonoma

Le proprietà di uno sterzo elettrico sofisticato sono, secondo Koch, la chiave per tutti gli sviluppi futuri, in particolare la guida autonoma BMW. Solo lo sterzo elettrico ha dato la possibilità agli ingegneri di consentire la guida autonoma di un’auto ai computer (➜ leggete anche: I cinque passaggi della guida autonoma). Il sistema utilizza già oggi i sistemi di assistenza (➜ leggete anche: Panoramica dei sistemi di assistenza alla guida).

Dello stesso tema fa parte il “Drive by wire” (tradotto, la guida senza collegamenti meccanici). Si tratta di un termine che indica i sistemi che non prevedono un collegamento diretto meccanico o idraulico tra gli elementi di comando (volante, freno e pedali) e i sistemi del veicolo. Per il sistema di sterzo “Steer by wire”, questo significa che il collegamento tra il volante e le ruote anteriori il collegamento è solo elettrico. La scatola dello sterzo elettrico non serve solo per erogare forza al sistema di assistenza, ma trasmette anche i movimenti dello sterzo all’assale in base ai segnali del volante.

La taratura dello sterzo di un’auto autonoma è il top delle applicazioni di un veicolo.
Christian Heiss

Progettazione dinamica di guida BMW

Un grande vantaggio dello “Steer by wire” è che ruota e volante possono sterzare in modo indipendente uno dall’altra. Qui si vede anche la relazione con la guida autonoma: non è più necessario contribuire a sterzare il volante (come con l’assistente al parcheggio). Una sfida particolare è rappresentata dal sistema di sicurezza. La persona che guida deve essere in grado di controllare il veicolo anche in caso di guasto, nonostante non sia presente un collegamento meccanico.

Far procedere un veicolo in linea retta non dovrebbe essere difficile, giusto? Sbagliato, perché questa operazione implica tutta una serie di processi. “E per il computer è molto impegnativo”, spiega Heiss. “Una persona reagisce in modo intuitivo e controsterza, per esempio per mantenersi in carreggiata in caso di strada in leggera pendenza.” I termini “computer” e “intuitivo” non vanno molto d’accordo. In breve: i tecnici hanno ancora molto lavoro da fare per “addestrare” un computer a seguire l’intuito come un essere umano. O in altre parole: il cosiddetto “popometro” continua a essere il metodo più efficiente.

Autore: Nils Arnold; Illustrazioni: Señor Salme