ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA

Facoltà di INGEGNERIACorso di laurea in INGEGNERIA MECCANICA

ALCUNE PROPOSTE PER MIGLIORARE L’AFFIDABILITÀ COMPLESSIVA DELLE

MODERNE AUTOVETTURETesi di laurea in Disegno Tecnico Industriale

Candidato MATTEO MAZZINI Relatore Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

a.a. 2004/2005

OBIETTIVO

•Oggetto di questo studio è un’analisi dei sistemi elettronici attualmente esistenti sul mercato, cercando di capire il loro funzionamento e come sono collegati tra di loro.

•Successivamente sulla base dei dati di affidabilità si valutano alcune soluzioni alternative per migliorare una situazione già diventata abbastanza critica.

•Si procede pertanto ad illustrare i principali sistemi elettronici presenti attualmente a bordo delle automobili, suddividendo tali sistemi nelle aree su cui agiscono.

GESTIONE DEL MOTORE

I dispositivi elettronici che influenzano il funzionamento del propulsore sono fondamentalmente quattro:

•LA CENTRALINA ELETTRONICA

•IL SISTEMA DI FASATURA VARIABILE

•IL SISTEMA D’INIEZIONE DIESEL COMMON RAIL

•L’ACCELERATORE ELETTRONICO THROTTLE- BY-WIRE

La centralina è il sistema elettronico che in base ad una serie di istruzioni premorizzate ed alle informazioni ricevute da vari sensori, è in grado di ottimizzare il funzionamento del propulsore.

Le informazioni che la centralina riceve generalmente riguardano:

•Il numero di giri del motore

•La quantità dell’aria aspirata

•La temperatura del liquido refrigerante

•La posizione della farfalla

•La velocità dell’auto

•L’eventuale presenza di detonazione

•La quantità di ossigeno nei gas di scarico (sonda Lambda)

LA CENTRALINA ELETTRONICA

SISTEMI DI FASATURA VARIABILE

Il principio di funzionamento su cui si basa il V-TEC della Honda (sistema di comando elettronico della variazione della fase e dell’alzata delle valvole) consiste nell’incrementare la miscela aria\benzina e la quantità di gas di scarico che abbandona il cilindro lungo tutto l’arco di giri del motore.

La soluzione adottata dalla Porschedenominata VarioCam Plus, mediante una regolazione dell’albero a camme e dell’alzata delle valvole, consente di ottimizzare le prestazioni, la coppia ed il consumo di carburante a tutti i regimi.

SISTEMA D’INIEZIONE COMMON RAILIl common rail è un sistema d’iniezione ad alta pressione per motori ad iniezione diretta, il cui elemento centrale è un accumulatore comune di gasolio. L’elevata pressione massima d’iniezione favorisce la particolarizzazione del gasolio, garantendo una migliore combustione, rendimenti più alti e minori incombusti allo scarico.

Grazie alla possibilità di una preiniezione, che abbrevia il ritardo di accensione, è inoltre possibile ridurre anche rumorosità e vibrazioni.

Il carburante da iniettare viene prelevato dal rail e può essere regolato alla pressione desiderata indipendentemente dalla portata di iniezione.

ACCELERATORE ELETTRONICO THROTTLE-BY-WIRE

Questo dispositivo elimina il collegamento meccanico tra il pedale dell’acceleratore e la valvola a farfalla che era realizzato tramite un cavo in acciaio, ma lascia al pedale il compito di segnalare le intenzioni del guidatore all’elettronica di controllo, attraverso un potenziometro di precisione.

Oltre a modulare la coppia motrice in caso di fondo scivoloso, l’elettronica di gestione dell’acceleratore si è dimostrata molto utile anche per le regolazioni di punta del motore, come il limitatore dei giri o il blocco della velocità massima. La farfalla elettronica consente poi di realizzare una regolazione del minimo ottimale in qualsiasi condizione di esercizio del motore.

Un altro aspetto interessante del sistema è la possibilità di variare la reattività della farfalla secondo programmi memorizzati nella logica di controllo.

CONTROLLO DELLA VETTURA

SICUREZZA ATTIVA SICUREZZA PASSIVA

La sicurezza attiva di un’automobile èrappresentata dall’insieme dei dispositivi che contribuiscono a rendere piùsicura la marcia su strada, cercando di prevenire ed evitare situazioni di pericolo

Contribuiscono a migliorare la sicurezza passiva di un’autovettura i sistemi atti a garantire la massima protezione possibile degli occupanti a seguito di un incidente

SICUREZZA ATTIVAABS

ESP

E’ stato realizzato per governare la vettura durante una frenata alla massima intensitàeffettuata esercitando la massima pressione sul pedale del freno. In una frenata di tale intensità una vettura priva di ABS prosegue la sua corsa nella direzione rettilinea che la forza di inerzia le ha imposto senza possibilità di correzioni; invece con l’ABS, sempre nelle stesse condizioni di frenata, la vettura risponde alle sollecitazioni dello sterzo consentendo di cambiare traiettoria e quindi di evitare ostacoli

L’ESP è nato come dispositivo in grado di limitare la perdita di aderenza laterale del pneumatico. Abbinato all’ABS e all’ASR,(dispositivo che evita il pattinamento in accelerazione), include anche un rivelatore diimbardata che misura l’accelerazione angolare della vettura sull’asse verticale

SICUREZZA PASSIVA

AIRBAG PRETENSIONATORI E POGGIATESTA ATTIVI

In caso di impatto frontale o laterale, in vari punti dell’abitacolo si gonfiano una serie di cuscini che hanno il compito di attutire il movimento del corpo dei passeggeri e di evitare che questi vadano a sbattere contro le superfici interne della vettura, procurandosi ferite o traumi gravi

I pretensionatori delle cinture disicurezza, hanno il compito di evitareche il corpo degli occupanti, spintodalla forza d’inerzia, si allontani troppodal sedile. Grazie ai pretensionatori, la cintura in caso di incidente, arretraautomaticamente di alcuni centimetri, così il passeggero è maggiormentevincolato

Fra gli altri dispositivi per la sicurezza passiva, risultano importanti anche:

•I ROLLBAR AUTOMATICI

•PRESAFE

COMFORTGrazie all’elettronica sono stati fatti molti progressi per quanto riguarda il comfort di bordo dell’autovettura. I dispositivi elettronici e le altre apparecchiature presenti in dotazione sulle autovetture moderne sono stati riprogettati in modo da conferire maggior affidabilità e silenziosità al veicolo e hanno indotto una sensazione di sicurezza al guidatore e ai passeggeri. Si elencano ora alcuni importanti sistemi presenti sulle autovetture:

•CLIMATIZZATORE

•SISTEMA DI NAVIGAZIONE

•COMPUTER DI BORDO

•PARKTRONIC

•CHIAVE ELETTRONICA

•CRUISE CONTROL

•SERVOSTERZO

SISTEMI DI TRASMISSIONECome in tutti gli altri elementi delle automobili, l’elettronica è entrata a gestire e sovrintendere al funzionamento dei sistemi di trasmissione fra i quali:

•FRIZIONE AUTOMATICA

•TIPTRONIC

L’innesto ed il disinnesto avvengono senza l’intervento del conducente su ordine di una centralina elettronica che, dopo aver elaborato le informazioni ricevute da alcuni sensori, mette in moto un sistema elettroidraulico che agisce su una frizione monodisco a secco convenzionale

Il Tiptronic è una normalissima trasmissione automatica, la quale però consente al guidatore di inserire manualmente un numero di rapporti deciso dal costruttore, consentendo cosìal pilota di avere due tipi di trasmissione nella stessa vettura

•SELESPEED: Si tratta del cambio a funzionamento sequenziale-automatico prodotto da Alfa Romeo, è la centralina elettronica che controlla il cambio a chiedere di aprire la frizione, ridurre la coppia indipendentemente da quanto l'acceleratore viene premuto, selezionare ed innestare le marce

•MULTITRONIC: Il Multitronic è il nuovo cambio a variazione continua progettato dall’Audi, è caratterizzato da una cinghia metallica che collega due pulegge traslabili in senso assiale

Altra particolarità del Multitronic è la frizione a lamelle gestita elettronicamente in luogo del convertitore di coppia idraulico

SISTEMA DI COLLEGAMENTO CANBUS

• Questo è il sistema messo a punto dalla Bosch per ovviare al problema dell’affollamento di cavi elettrici nelle moderne automobili provocato dall’aumento delle funzioni gestite dall’elettronica.

• Il CAN (Controller Area Network) si avvale di un collegamento a rete «multiplex» che collega le varie centraline e trasmette su una sola linea (chiamata anche «bus di dati») un gran numero di informazioni e comandi.

• Uno dei vantaggi più importanti del CAN è anche quello di far dialogare le varie centraline fra loro per coordinare azioni in comune che prevedono scambi di dati in tempi brevissimi, la conferma di avere ricevuto e correttamente interpretato le informazioni, la segnalazione di eventuali errori. Il bus CAN trasmette i dati dando priorità a quelli più importanti.

SOLUZIONE CANBUSVANTAGGI

SVANTAGGI•Elevata flessibilità

•Riconoscimento di errori di trasmissione

•Risparmio sui costi di progettazione ed installazione

•Comunicazione tra le varie centraline

•Difficoltà nel trovare una corretta ubicazione all’elevato numero di centraline

•La soluzione attuale non presenta ridondanza tranne in alcuni casi

INSODDISFAZIONE DEL CLIENTE

Tutte le sofisticazioni precedentemente elencate aumentano sicuramente l’interesse ed il prestigio di una determinata vettura e la rendono più facile, sicura e piacevole da guidare. La conseguenza di tutto ciò è che la vettura diventa appetibile per un numero superiore di clienti. Ecco perché è diventato di fondamentale importanza per le case costruttrici cercare di anticipare la concorrenza proponendo in anteprima soluzioni inedite e sempre di maggior impatto sui clienti.

Con il proliferare di componenti elettroniche, il livello di attenzione che i costruttori devono prestare sul tema dell’affidabilità diventa esponenzialmente superiore

RISCHIO DI PERDITE ECONOMICHE RILEVANTI

OCCORRONO SOLUZIONI ALTERNATIVE PER MIGLIORARE LA SITUAZIONE

SOLUZIONE ALTERNATIVA AERONAUTICA

Tutte le varie funzioni svolte dall’aereo vengono effettuate e coordinate da quattromicroprocessori che lavorano in parallelo (sistema quadri ridondante). Su ognuno di questi microprocessori girano gli stessi software ed i dati che arrivano dai vari sensori tramite un sistema simile al CanBus, vengono condivisi ed analizzati da tutti contemporaneamente. I risultati delle analisi vengono successivamente messi a confronto allo scopo di verificare se esistono delle discrepanze indesiderate

VANTAGGI

•La gestione dei software è relativamente semplice

•La ridondanza quadrupla riduce notevolmente i rischi di rimanere senza neanche un microprocessore funzionante

•La manutenzione è molto semplice

•Il sistema è facilmente espandibile

•L’avaria di uno o più microprocessori non inibisce il funzionamento di nessuna delle funzioni del sistema

Questa soluzione si trova in antitesi con quella adottata dalle automobili

SOLUZIONE ALTERNATIVA AUTOMOBILISTICA

•Per ogni funzione della vettura esiste una centralina dedicata, con un proprio sistema di controllo ed autodiagnosi dei dati

•L’avaria di una centralina inibisce definitivamente il funzionamento dei sistemi da essa controllati

•Per espandere il sistema è necessario istallare sulla vettura un numero di centraline pari alle funzioni che si vogliono inserire

•La gestione del software è tutt’altro che semplice

•L’affidabilità del sistema Multiplex delle automobili ècalcolabile considerandolo un sistema in serie, dove l’affidabilità generale è data dal prodotto delle affidabilità delle singole centraline

CONFRONTO FRA LE SOLUZIONIAERONAUTICA AUTOMOBILISTICA

•Si prende in considerazione una moderna Luxury car con circa 70 centraline

•Si adotta un collegamento in serie fra gli elementi

•Si prendono in considerazione quattro microprocessori disposti in parallelo

L’affidabilità è del 99,99999993 %, tale risultato non è riferito all’evento singolo ma rimane costante

L’incremento di affidabilità in ogni singolo evento:

Centralina singola 0,5 %

Sistema di comunicazione 8 %Gestione organi meccanici ed Airbag 1,5 %

Sistema generico 1,1 %

Veicolo in panne 4,3 %

Sicurezza 16,7 %

0

5

10

15

20

S.G. G.O.M. S.C. V.U. S.S.

Incremento percentuale di affidabilità ottenibile con la soluzione alternativa

Legenda:

S.G. = Sistema GenericoG.O.M. = Gestione Organi MeccaniciS.C. = Sistema di ComunicazioneV.U.M = Veicolo UtilizzabileS.S. = Sistemi di Sicurezza

L’affidabilità delle centraline è del 99,5 %

L’affidabilità del sistema di comunicazione è del 92,6 %

L’affidabilità del sistema di gestione degli organi meccanici è del 98,5 %

L’affidabilità dei sistemi di sicurezza ed airbag è del 98,5 %

L’affidabilità dei sistemi rimanenti è del 98,9 %

L’affidabilità in caso di veicolo in panne è del 95,9 %

L’affidabilità in termini di sicurezza è del 84,8 %

I CRASH TEST•CRASH TEST FRONTALE DISASSATO

L'autovettura testata viene fatta impattare alla velocità di 64km/h con il 40% del frontale anteriore (lato guida) contro una barriera d'alluminio deformabile

•CRASH TEST LATERALE

Viene eseguito alla velocità di 50Km/h. Un carrello, viene proiettato con traiettoria perpendicolare, contro il lato guida dell'autovettura testata, che è ferma, per simulare un impatto laterale

•PROTEZIONE DELLA TESTA

In questo test l'autovettura viene proiettata lateralmente, dalla parte del lato guida, alla velocità di 29km/h contro un palo rigido

•TEST D’IMPATTO CON PEDONE

Eseguito alla velocità di 40Km/h.Viene controllato il modo in cui le varie parti del corpo colpiscono l'autovettura ed in base a questa analisi si determina il rischio di lesioni

VALUTAZIONE SUI COSTILUXURY CAR DA 100.000€ dotata di circa 70 centraline

Microprocessori di ultima generazione a 128 bit 200MHZ

•Si può considerare che ciascuno dei quattro microprocessori montati in parallelo possa avere un costo di circa 2450€ per un totale di 9800€

•Questa cifra è del 60% inferiore a quella richiesta attualmente per montare le 70 centraline

Costo totale:

[(1200 x 0.07)+(300 x 0.8)+(180 x 0.13)] x 70 = 24318€

•Al costruttore costano un quinto di questa cifra, in più il costo industriale dell’automobile è un quarto del prezzo al pubblico

•La percentuale di costo delle centraline sul prezzo totale è :

[4864 / 25.000] x 100 = 19,46 %

•Un quinto del costo dell’auto è imputabile alle centraline che monta.

CONCLUSIONII vantaggi derivanti dall’adozione dei sistemi alternativi preso in esame possono essere così riassunti:•aumento globale dell’affidabilità dei sistemi elettronici delle autovetture con incrementi compresi tra 1,1% e 16,7%

•riduzione drastica della possibilità di perdere importanti funzionalità del veicolo grazie alla ridondanza quadrupla

•aumento del grado di sicurezza della vettura

•notevole semplificazione dal punto di vista della progettazione dei sistemi elettronici da istallare a bordo

•riduzione dei costi totali del veicolo

•risparmio sui costi di manutenzione straordinaria

Comunque sia il problema dell’affidabilità dovrà essere preso in considerazione in maniera appropriata ed in tempi brevi, essendo infatti inaccettabile che un auto di 20 anni fa sia piùaffidabile di quelle attualmente in commercio. Evidentemente negli ultimi anni l’attenzione dei costruttori è stata rivolta maggiormente ad uno sviluppo tecnologico molto rapido per cercare di primeggiare sul mercato, dimenticandosi di tutelare sufficientemente i clienti.