Girare il volante significa ruotare le ruote anteriori attorno ai loro assi di sterzo, vincendo l’attrito che si genera fra il battistrada e l’asfalto. Tale resistenza cresce con il peso gravante sull’avantreno e con la larghezza degli pneumatici, e raggiunge il suo valore massimo proprio nella condizione peggiore: a veicolo fermo o quasi, quando la ruota non rotola ma striscia sul posto. Con uno sterzo puramente meccanico l’unico modo per rendere sopportabile lo sforzo sarebbe allungare il rapporto di sterzo, cioè aumentare il numero di giri del volante necessari per passare da un fine corsa all’altro, con evidente perdita di prontezza. Ed è qui che entra in gioco il servosterzo, un dispositivo che affianca alla forza muscolare del conducente una forza generata da una fonte di energia esterna, senza però sostituirsi al guidatore: il collegamento fra volante e ruote resta meccanico e la vettura rimane governabile, seppur con notevole fatica, anche in caso di avaria dell’assistenza. Nel corso della loro evoluzione, i servosterzi possono essere raggruppati in tre famiglie:
- Servosterzo idraulico
- Servosterzo elettroidraulico
- Servosterzo elettrico
Servosterzo idraulico
È la soluzione storicamente adottata sulle vetture di serie ed è rimasta dominante fino ai primi anni Duemila. Il sistema si compone di una pompa (tipicamente a palette), di un serbatoio dell’olio, delle relative tubazioni e di una scatola dello sterzo a cremagliera nella quale sono integrati un pistone e una valvola di distribuzione. La pompa è trascinata dall’albero motore tramite una cinghia e mantiene il circuito costantemente in pressione. Il cuore del sistema è la valvola rotativa: essa è costituita da due elementi coassiali, collegati fra loro da una barra di torsione. Quando il conducente ruota il volante, le ruote oppongono resistenza e la barra di torsione si deforma elasticamente di un angolo proporzionale allo sforzo esercitato. Questa piccola rotazione relativa apre i condotti che mettono in comunicazione la mandata della pompa con una delle due camere del cilindro ricavato nella scatola guida, mentre l’altra camera viene collegata allo scarico verso il serbatoio. Il pistone, solidale con l’asta a cremagliera, riceve così una spinta che si somma a quella impressa dal guidatore. Terminata la manovra, la barra di torsione si riporta nella posizione neutra e la valvola richiude i condotti.
Il pregio di questo schema è la sua progressività: la spinta idraulica è funzione diretta della coppia applicata al volante, e l’inerzia stessa del fluido conferisce allo sterzo un effetto smorzante apprezzato da molti appassionati, che riconoscono a questi impianti un contatto con la strada particolarmente comunicativo. Il difetto principale è invece di natura energetica. La pompa è trascinata dal motore in ogni istante, anche quando si procede in rettilineo e non serve alcuna assistenza, e deve essere dimensionata sulla condizione più gravosa, cioè la manovra da fermo con motore al minimo: ne deriva un assorbimento di potenza parassita presente per tutta la durata del viaggio. A questo si aggiungono l’ingombro delle tubazioni, il peso del fluido e la necessità di controllarne periodicamente livello e trafilamenti.
Servosterzo elettroidraulico
Il servosterzo elettroidraulico rappresenta il passaggio intermedio fra le due filosofie. Lo schema idraulico rimane sostanzialmente invariato — valvola rotativa, cilindro e cremagliera sono gli stessi — ma la pompa non è più trascinata dalla cinghia: viene azionata da un motore elettrico, generalmente riunito con il serbatoio e la centralina in un unico gruppo compatto installato nel vano motore.
Il vantaggio è immediato: la portata della pompa non dipende più dal regime di rotazione del motore termico, ma può essere regolata dall’elettronica. La centralina, leggendo la velocità del veicolo e l’attività dello sterzo, fa funzionare la pompa alla massima portata solo durante le manovre e la mantiene a regime ridotto o pressoché ferma in marcia rettilinea. Il risparmio energetico rispetto a un impianto tradizionale con cinghia è consistente, con riduzioni dichiarate dai costruttori che possono arrivare fino a circa il 75% dell’energia assorbita. Diventa inoltre possibile una prima forma di assistenza variabile con la velocità, oltre a una maggiore libertà di installazione, non essendo più necessario prevedere una puleggia e un percorso cinghia dedicati. Restano però i limiti dell’idraulica: il fluido, le tenute e la manutenzione periodica. Per questo la soluzione, diffusa soprattutto fra la fine degli anni Novanta e il primo decennio del Duemila, è oggi impiegata principalmente su veicoli commerciali e su applicazioni pesanti, dove le forze in gioco sono elevate.
Servosterzo elettrico
Nel servosterzo elettrico, o EPS (Electric Power Steering), l’idraulica scompare del tutto. L’assistenza è fornita da un motore elettrico che agisce sulla trasmissione dello sterzo attraverso un riduttore, tipicamente una coppia vite senza fine-ruota elicoidale oppure un gruppo a ricircolo di sfere comandato da una cinghia dentata. Al posto della valvola rotativa si trova un sensore di coppia, che misura la torsione della solita barra elastica; la centralina combina questo segnale con la velocità del veicolo e con l’angolo di sterzo e determina istante per istante la coppia di assistenza da erogare.
In base alla posizione del motore elettrico si distinguono le principali architetture: sul piantone (C-EPS), soluzione economica e compatta tipica delle vetture di piccola taglia; sul pignone della scatola guida (P-EPS), anche in versione a doppio pignone; e direttamente sulla cremagliera (R-EPS), adottata sulle vetture più pesanti e potenti perché consente di trasmettere forze maggiori senza sollecitare il piantone.
I vantaggi sono numerosi. L’assorbimento di energia avviene solo quando si sterza, con benefici sui consumi quantificabili in qualche punto percentuale; l’assistenza è liberamente programmabile via software, quindi può essere abbondante in manovra e progressivamente ridotta ad alta velocità per non rendere lo sterzo nervoso; il sistema funziona anche a motore spento, requisito indispensabile per le vetture con Start&Stop e per quelle elettriche. Soprattutto, essendo il motore elettrico un attuatore comandabile in autonomia dalla centralina, l’EPS è il presupposto tecnico dei moderni sistemi di assistenza alla guida: mantenimento della corsia, parcheggio automatico e manovre evasive di emergenza agiscono tutti applicando una coppia allo sterzo. Il prezzo da pagare, spesso rimproverato a questi impianti, è un feedback dalla strada più filtrato rispetto ai vecchi sistemi idraulici, anche se gli algoritmi di controllo hanno progressivamente ridotto il divario.
L’ultimo passo di questa evoluzione è lo steer-by-wire, che elimina il collegamento meccanico fra volante e ruote sostituendolo con segnali elettrici e attuatori: una soluzione già disponibile su modelli di serie, come la Lexus RZ, e resa possibile proprio dalla maturità raggiunta dalla tecnologia elettrica.
