Come funziona lo sterzo dell'auto

  • Phillip Hopkins
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Potresti essere sorpreso di apprendere che quando giri la macchina, le ruote anteriori non puntano nella stessa direzione.

Affinché un'auto giri senza intoppi, ogni ruota deve seguire un cerchio diverso. Poiché la ruota interna segue un cerchio con un raggio più piccolo, in realtà sta facendo una svolta più stretta rispetto alla ruota esterna. Se tracciate una linea perpendicolare a ciascuna ruota, le linee si intersecheranno nel punto centrale della svolta. La geometria della tiranteria dello sterzo fa girare la ruota interna più di quella esterna.

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Ci sono un paio di diversi tipi di ingranaggi dello sterzo. I più comuni sono pignone e cremagliera e ricircolo di sfere.

Sterzo a pignone e cremagliera sta rapidamente diventando il tipo più comune di sterzo su auto, piccoli camion e SUV. In realtà è un meccanismo piuttosto semplice. Un ingranaggio a cremagliera è racchiuso in un tubo di metallo, con ciascuna estremità della cremagliera che sporge dal tubo. Una canna, chiamata a tirante, si collega a ciascuna estremità del rack.

Il pignone è allegato al file albero dello sterzo. Quando si gira il volante, l'ingranaggio gira, spostando la cremagliera. Il tirante a ciascuna estremità del rack si collega al braccio dello sterzo sul mandrino (vedi diagramma sopra).

Il cambio a cremagliera fa due cose:

  • Converte il movimento rotatorio del volante nel movimento lineare necessario per girare le ruote.
  • Fornisce una riduzione dell'ingranaggio, rendendo più facile girare le ruote.

Sulla maggior parte delle auto, sono necessari da tre a quattro giri completi del volante per far girare le ruote da un blocco all'altro (da estrema sinistra a estrema destra).

Il rapporto di sterzata è il rapporto tra quanto si gira il volante e quanto girano le ruote. Ad esempio, se un giro completo (360 gradi) del volante fa sì che le ruote dell'auto girino di 20 gradi, il rapporto di sterzata è 360 diviso per 20 o 18: 1. Un rapporto più alto significa che devi girare di più il volante per far girare le ruote per una determinata distanza. Tuttavia, è richiesto uno sforzo minore a causa del rapporto di trasmissione più elevato.

In generale, le auto più leggere e sportive hanno rapporti di sterzata inferiori rispetto alle auto e ai camion più grandi. Il rapporto più basso dà allo sterzo una risposta più rapida - non è necessario girare il volante tanto per far girare le ruote per una determinata distanza - che è una caratteristica desiderabile nelle auto sportive. Queste auto più piccole sono abbastanza leggere che anche con il rapporto più basso, lo sforzo richiesto per girare il volante non è eccessivo.

Alcune auto lo hanno sterzo a rapporto variabile, che utilizza una serie di ingranaggi a cremagliera che ha un passo dei denti diverso (numero di denti per pollice) al centro rispetto a quello esterno. Ciò fa sì che l'auto risponda rapidamente all'inizio di una svolta (il rack è vicino al centro) e riduce anche lo sforzo vicino ai limiti di svolta della ruota.

Potenza a pignone e cremagliera

Quando la cremagliera è in un sistema di servosterzo, la cremagliera ha un design leggermente diverso.

Una parte del rack contiene un cilindro con un pistone nel mezzo. Il pistone è collegato alla cremagliera. Ci sono due porte del fluido, una su entrambi i lati del pistone. Fornire fluido ad alta pressione a un lato del pistone forza il movimento del pistone, che a sua volta sposta la cremagliera, fornendo l'assistenza di potenza.

Più avanti nell'articolo, esamineremo i componenti che forniscono il fluido ad alta pressione e decideremo a quale lato del rack fornirlo. Per prima cosa, diamo un'occhiata a un altro tipo di sterzo.

Sterzo a ricircolo di sfere è utilizzato oggi su molti camion e SUV. Il leveraggio che fa girare le ruote è leggermente diverso rispetto a un sistema a cremagliera.

Lo sterzo a ricircolo di sfere contiene un ingranaggio a vite senza fine. Puoi immaginare l'attrezzatura in due parti. La prima parte è un blocco di metallo con un foro filettato. Questo blocco ha denti di ingranaggio tagliati all'esterno di esso, che innestano un ingranaggio che muove il braccio di pitman (vedi diagramma sopra). Il volante si collega a un'asta filettata, simile a un bullone, che si attacca al foro del blocco. Quando il volante gira, gira il bullone. Invece di torcere ulteriormente nel blocco come farebbe un normale bullone, questo bullone viene tenuto fisso in modo che quando gira, sposta il blocco, che muove l'ingranaggio che gira le ruote.

Invece del bullone che impegna direttamente le filettature nel blocco, tutte le filettature sono riempite con cuscinetti a sfera che ricircolano attraverso l'ingranaggio mentre gira. Le sfere in realtà servono a due scopi: primo, riducono l'attrito e l'usura degli ingranaggi; secondo, si riducono slop nella marcia. Si avverte una pendenza quando si cambia la direzione del volante: senza le sfere nella scatola dello sterzo, i denti si staccerebbero per un momento, facendo sentire il volante allentato.

Il servosterzo in un sistema a ricircolo di sfere funziona in modo simile a un sistema a cremagliera. L'assistenza viene fornita fornendo fluido ad alta pressione su un lato del blocco.

Ora diamo un'occhiata agli altri componenti che compongono un sistema di servosterzo.

Ci sono un paio di componenti chiave in servosterzo oltre al meccanismo a cremagliera oa ricircolo di sfere.

Pompa

La potenza idraulica per lo sterzo è fornita da a pompa rotativa a palette (vedi diagramma sotto). Questa pompa è azionata dal motore dell'auto tramite una cinghia e una puleggia. Contiene una serie di alette retrattili che ruotano all'interno di una camera ovale.

Quando le alette girano, tirano il fluido idraulico dalla linea di ritorno a bassa pressione e lo forzano nell'uscita ad alta pressione. La quantità di flusso fornita dalla pompa dipende dalla velocità del motore dell'auto. La pompa deve essere progettata per fornire un flusso adeguato quando il motore è al minimo. Di conseguenza, la pompa si muove molto più fluido del necessario quando il motore funziona a velocità più elevate.

La pompa contiene una valvola limitatrice di pressione per assicurarsi che la pressione non diventi troppo alta, specialmente ad alti regimi del motore quando viene pompato così tanto fluido.

Valvola rotativa

Un sistema di servosterzo dovrebbe assistere il conducente solo quando esercita una forza sul volante (come quando si inizia una svolta). Quando il conducente non sta esercitando forza (come quando si guida in linea retta), il sistema non dovrebbe fornire alcuna assistenza. Il dispositivo che rileva la forza sul volante è chiamato valvola rotante.

La chiave per la valvola rotante è a barra di torsione. La barra di torsione è una sottile barra di metallo che si attorciglia quando viene applicata una coppia. La parte superiore della barra è collegata al volante e la parte inferiore della barra è collegata al pignone o alla vite senza fine (che fa girare le ruote), quindi la quantità di coppia nella barra di torsione è uguale alla quantità di coppia del il conducente sta usando per girare le ruote. Maggiore è la coppia che il guidatore usa per girare le ruote, più la barra si attorciglia.

L'ingresso dall'albero dello sterzo costituisce la parte interna di a gruppo valvola a spola. Si collega anche all'estremità superiore del file barra di torsione. La parte inferiore della barra di torsione si collega alla parte esterna della valvola a spola. La barra di torsione ruota anche l'uscita dello sterzo, collegandosi al pignone o alla vite senza fine a seconda del tipo di sterzo dell'auto.

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Animazione che mostra cosa succede all'interno della valvola rotante quando si inizia a girare il volante per la prima volta

Quando la barra si attorciglia, ruota l'interno della valvola a spola rispetto all'esterno. Poiché la parte interna della valvola a spola è collegata anche all'albero dello sterzo (e quindi al volante), la quantità di rotazione tra la parte interna ed esterna della valvola a spola dipende da quanta coppia il guidatore applica al volante.

Quando il volante non viene ruotato, entrambe le linee idrauliche forniscono la stessa quantità di pressione allo sterzo. Ma se la valvola a spola viene ruotata in un modo o nell'altro, le porte si aprono per fornire fluido ad alta pressione alla linea appropriata.

Si scopre che questo tipo di sistema di servosterzo è piuttosto inefficiente. Diamo un'occhiata ad alcuni progressi che vedremo nei prossimi anni che aiuteranno a migliorare l'efficienza.

Poiché la pompa del servosterzo sulla maggior parte delle auto oggi funziona costantemente, pompando fluido tutto il tempo, si spreca potenza. Questa potenza sprecata si traduce in carburante sprecato.

Puoi aspettarti di vedere diverse innovazioni che miglioreranno il risparmio di carburante. Una delle idee più interessanti sul tavolo da disegno è il sistema "steer-by-wire" o "drive-by-wire". Questi sistemi eliminerebbero completamente il collegamento meccanico tra volante e sterzo, sostituendolo con un sistema di controllo puramente elettronico. In sostanza, il volante funzionerebbe come quello che puoi acquistare per il tuo computer di casa per giocare. Conterrebbe sensori che dicono all'auto cosa sta facendo il guidatore con la ruota e hanno alcuni motori per fornire al guidatore un feedback su ciò che l'auto sta facendo. L'uscita di questi sensori verrebbe utilizzata per controllare un sistema di sterzo motorizzato. Ciò libererebbe spazio nel vano motore eliminando l'albero dello sterzo. Ridurrebbe anche le vibrazioni all'interno dell'auto.

General Motors ha introdotto una concept car, la Hy-wire, che presenta questo tipo di sistema di guida. Una delle cose più eccitanti del sistema drive-by-wire nel GM Hy-wire è che puoi mettere a punto la manovrabilità del veicolo senza cambiare nulla nei componenti meccanici dell'auto: tutto ciò che serve per regolare lo sterzo è un nuovo computer Software. Nei futuri veicoli drive-by-wire, molto probabilmente sarai in grado di configurare i controlli esattamente a tuo piacimento premendo alcuni pulsanti, proprio come potresti regolare la posizione del sedile in un'auto oggi. In questo tipo di sistema sarebbe anche possibile memorizzare preferenze di controllo distinte per ogni conducente della famiglia.

Negli ultimi cinquant'anni, i sistemi di sterzo delle auto non sono cambiati molto. Ma nel prossimo decennio, vedremo progressi nello sterzo delle auto che si tradurranno in auto più efficienti e in una guida più confortevole.

Per ulteriori informazioni sui sistemi di governo e sugli argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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