Ogni comando impartito dal conducente – accelerare, frenare, sterzare – si traduce in una forza che il veicolo riesce a scambiare con l’asfalto solo attraverso l’impronta a terra dei pneumatici, una superficie che per ciascuna ruota è grande all’incirca quanto una cartolina. Quella forza ha un limite, stabilito dall’aderenza disponibile: oltrepassata tale soglia, il pneumatico non trasmette più quanto richiesto e la vettura smette di rispondere ai comandi. Il compito dell’ABS e del controllo di trazione è proprio quello di impedire che il piede del conducente superi quel limite. Sono due sistemi speculari, costruiti sul medesimo principio fisico e, sulle vetture moderne, sullo stesso hardware, applicati però a situazioni opposte:
- Lo scorrimento del pneumatico, ovvero il fenomeno da controllare
- L’ABS, che lo governa in frenata
- Il controllo di trazione (ASR o TCS), che lo governa in accelerazione
Lo scorrimento: il fenomeno da controllare
Contrariamente all’intuizione, un pneumatico non trasmette alcuna forza longitudinale quando rotola in perfetta sincronia con il suolo. Perché nasca una forza motrice o frenante è necessario un piccolo divario fra la velocità periferica della ruota e la velocità reale del veicolo: è lo scorrimento, in inglese slip, che si esprime in percentuale. Al crescere dello scorrimento il coefficiente di attrito fra gomma e asfalto sale rapidamente fino a un massimo – raggiunto orientativamente fra il 10% e il 20-30%, a seconda del tipo e delle condizioni del fondo – per poi calare.
Il punto cruciale è ciò che accade oltre quel massimo. Quando lo scorrimento arriva al 100%, cioè con la ruota completamente bloccata in frenata oppure che gira a vuoto in accelerazione, si passa dall’attrito di rotolamento all’attrito radente, il cui coefficiente è più basso: la vettura frena o accelera peggio di quanto potrebbe. Ma soprattutto un pneumatico che striscia longitudinalmente non è più in grado di generare una forza laterale apprezzabile. Ecco perché una ruota anteriore bloccata rende lo sterzo inefficace e una ruota posteriore bloccata predispone alla sbandata. Tutta l’elettronica di controllo dell’aderenza lavora quindi per mantenere lo scorrimento nell’intorno del suo valore ottimale, senza mai lasciarlo degenerare.
ABS: gli organi che lo compongono
L’ABS, ovvero l’Anti-lock Braking System, si articola su tre gruppi di componenti:
- I sensori di velocità ruota, affacciati su una ruota fonica dentata solidale al mozzo. Nei sistemi più datati si impiegano sensori induttivi passivi, che generano da sé un segnale alternato la cui frequenza cresce con la velocità di rotazione, ma che diventa poco leggibile a velocità molto basse. Sulle vetture recenti prevalgono i sensori attivi, a effetto Hall o magnetoresistivi, alimentati dalla centralina e capaci di restituire un segnale affidabile praticamente fino all’arresto del veicolo.
- La centralina elettronica, che confronta fra loro i segnali delle quattro ruote, ne ricava una velocità di riferimento del veicolo e calcola, ruota per ruota, lo scorrimento e la decelerazione angolare.
- Il gruppo idraulico, o modulatore, interposto fra la pompa freni e le pinze. Contiene, per ciascun canale di regolazione, due elettrovalvole – una di ingresso, normalmente aperta, e una di scarico, normalmente chiusa – oltre a un accumulatore a bassa pressione e a una pompa di ritorno azionata da un motorino elettrico.
Si noti che l’ABS non dispone di alcun organo frenante proprio: agisce esclusivamente sulla pressione dell’olio generata dal conducente, potendola trattenere, ridurre e ripristinare.
ABS: il ciclo di regolazione
Quando la centralina rileva che una ruota sta decelerando molto più rapidamente della vettura, segno che il bloccaggio è imminente, avvia sul canale interessato una sequenza di tre fasi. Nella fase di mantenimento viene chiusa l’elettrovalvola di ingresso: la pressione in pinza resta congelata al valore raggiunto e l’eventuale ulteriore spinta sul pedale non arriva più al freno. Se la ruota continua nonostante ciò a rallentare troppo, si passa allo scarico: si apre l’elettrovalvola di scarico e parte dell’olio defluisce verso l’accumulatore a bassa pressione, la pressione frenante cala e la ruota, meno frenata, torna ad accelerare avvicinandosi alla velocità del veicolo. Riacquisita l’aderenza, si entra nella fase di ripristino: la valvola di scarico si richiude, quella di ingresso si riapre e la pompa di ritorno rimanda l’olio dall’accumulatore verso il circuito.
La sequenza non viene eseguita una volta sola, ma si ripete ciclicamente per tutta la durata dell’intervento, con una frequenza dell’ordine di una decina di cicli al secondo e più elevata nei sistemi recenti. Le pulsazioni che il conducente avverte sotto la pianta del piede durante una frenata di emergenza sono precisamente la manifestazione tattile dell’apertura e chiusura delle elettrovalvole e del funzionamento della pompa. Ne discende una regola di condotta spesso disattesa: il pedale va premuto a fondo e mantenuto premuto, perché è l’ABS a doversi occupare della modulazione. Rilasciare il pedale in risposta alle pulsazioni significa semplicemente frenare di meno.
Canali di regolazione e limiti dell’ABS
La configurazione più diffusa prevede quattro sensori e quattro canali indipendenti, uno per ruota, così che ciascun freno venga modulato secondo l’aderenza effettivamente disponibile sotto quella ruota. Impianti più semplici adottano tre canali, regolando l’asse posteriore in modo unitario secondo il criterio detto select-low: la regolazione si adegua alla ruota posteriore che dispone di meno aderenza, penalizzando lievemente lo spazio di arresto ma privilegiando la stabilità del retrotreno. Sullo stesso hardware si appoggia inoltre l’EBD, il ripartitore elettronico di frenata, che dosa la pressione destinata all’asse posteriore in funzione del carico, sostituendo con una logica adattativa il vecchio correttore di frenata meccanico.
Va infine chiarito un equivoco diffuso: l’ABS non aumenta l’aderenza disponibile e non garantisce di per sé uno spazio di arresto più breve. Su fondi cedevoli come ghiaia o neve fresca una ruota bloccata accumula davanti a sé un cuneo di materiale che contribuisce all’arresto; impedendo il bloccaggio, l’ABS rinuncia a questo effetto e lo spazio di frenata può risultare persino più lungo. Ciò che il sistema restituisce sempre, in cambio, è la capacità del pneumatico di generare forza laterale, e quindi la possibilità di sterzare durante la frenata. Nell’Unione Europea l’ABS è obbligatorio sulle autovetture nuove dal 1° luglio 2004.
Il controllo di trazione: l’ABS applicato all’accelerazione
Il controllo di trazione, indicato a seconda del costruttore come ASR (Antriebsschlupfregelung, regolazione dello slittamento in trazione) o TCS (Traction Control System), affronta lo stesso problema all’estremo opposto: non la ruota che si blocca, ma la ruota motrice che pattina. Il riconoscimento avviene con gli stessi sensori dell’ABS, per confronto: se una ruota motrice gira sensibilmente più veloce della velocità di riferimento del veicolo, ricavata in genere dalle ruote non motrici, il sistema diagnostica il pattinamento e interviene con due leve distinte, spesso combinate fra loro.
La prima è l’intervento sui freni. Il gruppo idraulico, dotato in questo caso di una pompa in grado di generare pressione autonomamente, cioè senza che il conducente tocchi il pedale, frena in modo mirato la sola ruota che sta pattinando. L’effetto è duplice: la ruota rientra nella zona di aderenza e, poiché il differenziale ripartisce la coppia in funzione della resistenza che incontra, frenare la ruota che gira a vuoto rende disponibile coppia alla ruota che è invece in aderenza. Il sistema si comporta così come un differenziale autobloccante, senza ricorrere a organi meccanici dedicati. È una leva rapida e selettiva, ma dissipa energia in calore, per cui viene impiegata prevalentemente per interventi brevi e a bassa velocità, come le partenze su fondo sconnesso o in condizioni di aderenza asimmetrica.
La seconda leva è l’intervento sul motore. Dialogando con la centralina motore, il controllo di trazione riduce la coppia effettivamente erogata: nei propulsori a benzina agendo sulla farfalla motorizzata, ritardando l’anticipo di accensione o sopprimendo l’iniezione su alcuni cilindri; nei sopralimentati riducendo anche la pressione di sovralimentazione. Questa via è meno immediata della precedente, dovendo attendere il ciclo di funzionamento del motore, ma è sostenibile a lungo ed è quindi preferita quando il pattinamento persiste, per esempio in accelerazione su fondo bagnato. Sulle vetture elettriche il concetto resta identico, con il vantaggio che la coppia del motore elettrico è regolabile in modo assai più diretto e tempestivo rispetto a quella di un motore a combustione interna.
Dal controllo dell’aderenza al controllo della traiettoria
ABS e controllo di trazione condividono dunque sensori, centralina e gruppo idraulico, e si limitano a governare il comportamento longitudinale del veicolo: quanto la ruota rallenta rispetto alla vettura in frenata, quanto accelera rispetto ad essa in trazione. Nessuno dei due sa però in quale direzione il conducente stia cercando di andare, né se la vettura stia effettivamente seguendo quella direzione. È su questa base già disponibile che si innesta il gradino successivo, il controllo elettronico di stabilità (ESP o ESC), che aggiunge il sensore d’angolo di sterzo e quello di velocità d’imbardata per confrontare la traiettoria voluta con quella reale e correggerla frenando singole ruote. Del suo funzionamento, e di quello degli altri principali dispositivi di assistenza, si è già trattato nell’articolo Sistemi di Controllo di Guida: Quando l’Elettronica è a Beneficio del Conducente.
