Come fa il controllo di trazione a capire quando slitta e come limita la potenza?

Il controllo di trazione (TCS) capisce, attraverso i dati ricevuti dai sensori di velocità delle ruote, che durante l'accelerazione la ruota gira a vuoto perdendo aderenza, e recupera la presa persa intervenendo con la frenatura o con il taglio della coppia del motore. L'ESC si occupa di impedire che l'auto sbandi mentre derapa; il controllo di trazione, al contrario, gestisce la perdita di aderenza nel momento in cui la potenza viene trasferita alla strada. I due condividono la stessa rete di sensori, ma i loro compiti sono completamente diversi.

Fammi pensare: è un mattino invernale, stai svoltando a un incrocio, premi l'acceleratore e le gomme all'improvviso, al posto tuo, danno un concerto sinfonico di slittamento. Ecco, il sistema che interviene proprio in quel momento è il controllo di trazione - in inglese Traction Control System, su alcuni produttori chiamato ASR (Anti-Slip Regulation). L'ABS previene il bloccaggio della ruota durante la frenata, mentre il TCS lavora nella direzione opposta: impedisce che durante l'accelerazione la ruota giri a vuoto senza trasmettere la potenza alla strada. I due vengono spesso citati insieme perché condividono davvero lo stesso sistema nervoso. Ma da dove questo sistema sa che c'è pattinamento? Scopriamo passo passo la catena che va dal sensore all'attuatore.

Come viene rilevato il pattinamento: sensori di velocità delle ruote e percentuale di slittamento

L'organo di senso primario del controllo di trazione sono i sensori di velocità delle ruote. La velocità di rotazione di ogni ruota viene monitorata costantemente e i dati fluiscono verso l'unità di controllo ABS/TCS (ECU). Il sistema confronta due cose: la velocità reale del veicolo e la velocità di rotazione delle ruote motrici. Se le ruote motrici girano in modo nettamente più veloce rispetto alla velocità a cui procede il veicolo, c'è slittamento tra gomma e strada. Il rapporto calcolato da questa differenza percentuale di slittamento si chiama, ed è il valore fondamentale in base al quale il TCS decide quanto intervenire.

Dove sono nascosti i sensori? Sui veicoli di fabbrica il punto di misurazione della velocità più comune è l'uscita del cambio, ovvero la velocità dell'albero di uscita; inoltre, la presenza di un sensore su ogni mozzo indica generalmente che l'auto ha l'ABS. Dal punto di vista della tecnologia dei sensori esistono quattro tipi principali: sensori digitali basati su effetto Hall, sensori digitali tipo interruttore (interrupt), sensori passivi induttivi magnetici e sensori attivi magnetoresistivi. Tutti svolgono lo stesso compito - contare i passaggi di una corona dentata (ton ring) e calcolare la velocità - ma differiscono per risoluzione e comportamento elettrico.

C'è anche un aspetto raffinato nel calcolo della percentuale di slittamento: nella strategia ideale si installa prima un sensore sulla ruota motrice, poi un secondo sensore sulla ruota non motrice; la differenza di velocità tra le due ruote fornisce la percentuale di slittamento. Nelle applicazioni da corsa e in quelle retrofit, al sensore della ruota non motrice può essere sostituito un modulo GPS per la velocità. Inoltre, alcuni sistemi utilizzano, oltre alle velocità delle ruote, i dati dell'accelerometro e regolano di conseguenza il riferimento proveniente dal pedale dell'acceleratore del guidatore. Quindi il sistema non si limita a chiedersi "la ruota sta girando?", ma si pone anche la domanda "il veicolo sta davvero accelerando?".

C'è una conseguenza pratica da tutto questo: un sensore che segnala velocità difettose o impossibili impedisce al modulo di determinare quale ruota sta slittando. Il risultato? Sia il TCS che il controllo di stabilità possono disattivarsi. Quella luce arancione lampeggiante sul cruscotto è spesso, in realtà, la rivolta di un sensore di ruota.

Come limita la potenza: tre metodi di intervento

Rilevare il patinamento è metà del lavoro; la vera sfida ingegneristica sta nel come calmare la ruota che slitta. Per questo compito il TCS dispone di tre strumenti principali e la maggior parte dei veicoli moderni ne utilizza due o tre insieme.

Intervento dei freni

Il metodo più rapido e diffuso: alla ruota che slitta viene inviata pressione frenante tramite la pompa ABS e il modulatore. Per ciascuna ruota motrice è presente una valvola solenoide aggiuntiva nel modulatore ABS; il sistema può selezionare all'istante quale ruota rallentare. La ruota rallentata riprende aderenza e la coppia viene trasferita, attraverso il differenziale, alla ruota opposta che ha una migliore aderenza. Quindi qui il freno non viene usato "per fermarsi", ma per incanalare la coppia verso la ruota giusta - a me sembra ogni volta come chiudere un rubinetto e dirottare l'acqua in un altro tubo.

Ma questo metodo ha un prezzo: le pastiglie dei freni si surriscaldano. Per questo motivo il TCS si disattiva automaticamente dopo un certo periodo di tempo, per evitare il surriscaldamento delle pastiglie. Ed è esattamente questa la risposta ingegneristica alla domanda "l'uso continuato danneggia i freni?": il progetto è limitato in modo da proteggere se stesso.

Riduzione della coppia motore

Se entrambe le ruote motrici slittano, il freno da solo non basta; il sistema invia un segnale al Powertrain Control Module (PCM) e riduce la coppia prodotta dal motore. Questa riduzione può avvenire in diversi modi: alcuni sistemi interrompono gli iniettori, altri senza toccare gli iniettori riducono la coppia limitando soltanto la farfalla. La logica, come riassume anche Wikipedia, è la seguente: il TCS interviene quando l'input dell'acceleratore, la potenza del motore e la trasmissione della coppia non sono in accordo tra loro, e rallenta la ruota in rotazione con brevi applicazioni del freno. Oltre ai motori a combustione interna, i sistemi basati sulla coppia motore (engine traction control) che rilevano l'eccessiva rotazione generale delle ruote e tagliano il gas per ripristinare la richiesta di trazione vengono classificati come una categoria a parte. Un approccio più avanzato si trova invece nella letteratura SAE: uno schema di controllo adattivo che utilizza un sensore di coppia per misurare direttamente la perdita di trazione e regola la coppia del motore tramite la farfalla.

Differenziale attivo e vettorizzazione della coppia

Il terzo metodo è il più elegante: dirigere la potenza alla ruota giusta senza mai interromperla. Il torque vectoring è la tecnologia che consente di variare elettronicamente la coppia che il differenziale trasmette a ciascun semiasse (half-shaft). Questi differenziali controllano la potenza diretta a ciascuna ruota dell'assale tramite solenoidi idraulici o elettrici. I differenziali attivi si dividono in due gruppi: differenziali a slittamento limitato attivi (ALSD) e differenziali a torque vectoring (TVD). Chiariamo anche la differenza tra il classico LSD e il TCS: l'LSD può trasmettere la potenza a entrambe le ruote senza usare i freni o senza tagliare la coppia motore; il TCS invece sopprime la rotazione della ruota frenando o tagliando la coppia. In altre parole, uno riparte la potenza, l'altro la riduce.

TCS ed ESC sono la stessa cosa? Logica dei sensori e ripartizione dei compiti

È una delle domande più frequenti: "Sono la stessa cosa?" La risposta breve è no, ma condividono lo stesso corpo. Il controllo della trazione vive tipicamente nei veicoli di serie come funzione secondaria dell'ESC - non è obbligatorio, ma in pratica è quasi sempre così. I componenti dell'ESC sono: i sensori di velocità delle ruote, il modulo di controllo, il sensore dell'angolo di sterzo, il sensore di yaw rate (velocità di imbardata) e l'accelerometro. Anche il TCS utilizza gli stessi sensori di velocità delle ruote; quindi i sensori sono in comune, la logica decisionale è separata.

La differenza nella logica decisionale è, a mio avviso, la parte più affascinante della questione. L'unica preoccupazione dell'ESC è seguire la traiettoria desiderata dal guidatore: il sensore dell'angolo di sterzo comunica l'intenzione del guidatore, il sensore di yaw trasmette la reale velocità di imbardata del veicolo e, se le due non coincidono - cioè se il veicolo va in understeer o oversteer - il sistema, lavorando in coordinamento con l'ABS, frena le singole ruote per salvare il veicolo senza che vada in testa o in coda. L'ESC avvia l'evento con l'input del sensore di sterzo, poi il dato del sensore di yaw arriva all'unità di controllo ABS. Per questo motivo i sensori dell'angolo di sterzo e di yaw/decelerazione sono fondamentali e dopo un intervento di manutenzione sulle ruote vanno azzerati. Venendo al TCS: l'ESC dice "impedisci che il veicolo vada fuori traiettoria", il TCS dice "impedisci che la ruota giri a vuoto". Uno parla di rotta, l'altro di velocità. Possono funzionare contemporaneamente, ma mentre uno accelera, l'altro previene l'incidente.

Con la neve il controllo della trazione va tenuto attivo o disattivato?

Quando arriva l'inverno, questa è la domanda che tutti si pongono. La risposta sorprende la maggior parte degli automobilisti: il controllo della trazione deve rimanere attivo sulla quasi totalità della neve - nello specifico, sul 99% di essa. Finché il sistema rileva la perdita di aderenza delle ruote, ti protegge e cerca di recuperare la presa persa. L'affermazione "spegni il TCS quando cade la neve" è considerata un mito diffuso; la maggior parte dei sistemi funziona già riducendo la potenza del motore e disattivarlo non ti offre alcun vantaggio.

Ma esiste un'eccezione e per capirne la logica bisogna guardare alla natura del pneumatico. A bassa velocità, su superfici come neve, ghiaccio e fango, una certa rotazione delle ruote è normale, anzi necessaria per il movimento in avanti - i pneumatici invernali sfruttano proprio queste rotazioni grazie alla loro struttura morbida e al meccanismo di espulsione della neve. Il TCS può entrare in conflitto con questo meccanismo: interrompe la potenza senza permettere alla ruota di girare per avanzare di quaranta centimetri. Per questo, su superfici solide a bassa velocità, soprattutto quando ci si è impantanati o bloccati nella neve, può essere ragionevole disattivare temporaneamente il TCS. Anche il consiglio pratico dei manuali utente va in questa direzione: tieni premuto il pulsante TCS per disattivare completamente il sistema e riattivalo una volta uscito.

C'è poi la "snow mode": questa modalità riduce l'intervento del controllo di stabilità aumentando l'intervento del controllo della trazione e, come suggerisce il nome, è progettata per superfici come neve, pioggia e ghiaia. Inoltre, il lamento degli automobilisti secondo cui "con il TCS attivo l'auto perde potenza" è per lo più una questione percettiva; il sistema riduce effettivamente la potenza del motore, ma questa riduzione significa il recupero dell'energia che la ruota stava sprelando invano sull'asfalto. Ciò che sembra una perdita di potenza è in realtà un guadagno di potenza.

Domande pratiche frequenti

• I sensori del TCS e dell'ESC sono gli stessi? Sì, il TCS utilizza generalmente i sensori di velocità delle ruote dell'ABS; l'ESC aggiunge a questi i sensori dell'angolo di sterzo e dell'imbardata.
• Il TCS rallenta l'auto? Il suo scopo non è rallentare l'auto, ma rallentare la ruota che slitta. Riducendo la potenza del motore può bilanciare l'accelerazione.
• Cosa influisce un guasto ai sensori? Un sensore di velocità delle ruote difettoso può causare la disattivazione contemporanea di TCS ed ESC.
• Il TCS danneggia i freni? Il sistema si disattiva automaticamente dopo un certo periodo di tempo per evitare il surriscaldamento delle pastiglie dei freni.

In conclusione, il controllo della trazione è un'arte di bilanciamento molto più raffinata di quanto sembri: legge i dati provenienti dai sensori di velocità delle ruote, individua lo slittamento in frazioni di secondo e ripristina la potenza all'asfalto tramite freni, riduzione della coppia o differenziale attivo. Mentre l'ESC si concentra sulla prevenzione degli incidenti, il compito principale del TCS è, ogni volta che premi il gas, non rompere il sottile legame tra pneumatico e asfalto. La prossima volta che quella lucina arancione lampeggia, non arrabbiarti - il sistema sta cercando una via per il tuo pneumatico per farti restare sulla tua posizione. Vi è mai capitato di rimanere impantanati e dover disattivare il TCS? Raccontatelo nei commenti, sono curioso!

Fonti

• Sistema di controllo della trazione - Laboratorio di Elettronica dei Veicoli Clemson
• Sistema di controllo della trazione - Wikipedia
• Vettorizzazione della coppia - Wikipedia
• Sensi della velocità - Come funzionano i sensori di velocità delle ruote - Haltech
• Sistema di controllo della trazione con sensore di coppia per il controllo adattivo della farfalla del motore - SAE
• Sistema di controllo della trazione - Documentazione delle simulazioni Altair
• Controllo trazione frenante vs controllo elettronico della stabilità vs controllo trazione a livello motore
• Posizione dello sterzo e imbardata - UnderhoodService
• Via di fuga ESC - MOTOR Information Systems
• Comprendere il sensore del tasso di imbardata e dell'angolo di sterzo - AutoBodyNews
• Differenziali a vettorizzazione della coppia - Brake & Front End
• Modellazione della dinamica del differenziale attivo - FSZ Zagabria
• Controllo trazione vs controllo di stabilità - MotorTrend
• Controllo trazione: quando può e non può salvarti la vita - NAPA
• Quando disattivare il controllo trazione - NAPA
• Il controllo trazione deve essere attivo o disattivato sulla neve? - KBB
• Miti sulla guida su neve e ghiaccio - drivingfast.net
• Un sensore di velocità delle ruote difettoso influisce su più dell'ABS? - R&M Auto
• Controllo trazione vs differenziale a slittamento limitato - BlueOvalForums
• Mito sul controllo trazione? - Community CarTalk