Molti conducenti hanno sentito parlare del sensore dell'angolo dello sterzo o del sensore di posizione dello sterzo. Tuttavia, pochi comprendono appieno l'importanza di questo elemento di controllo. Sapevate che il funzionamento dell'intero servosterzo elettrico dipende dalle condizioni del sensore? Questi componenti, quasi invisibili agli occhi del conducente, rappresentano un punto di incontro cruciale tra l'azione umana e la risposta del veicolo, trasformando il movimento del volante in segnali elettrici che vengono interpretati dalle centraline elettroniche. Comprendere il funzionamento dei sensori di sterzo significa entrare nel cuore dei sistemi di sicurezza attiva e di comfort di guida.
Il Ruolo Fondamentale dei Sensori di Coppia e Angolo di Sterzata
Nel mondo dell'automotive moderno, sempre più dominato dall'elettronica e dai sistemi di assistenza alla guida, i sensori di coppia dello sterzo e i sensori di angolo di sterzata svolgono un ruolo fondamentale. Con l’evoluzione dell’automobile da macchina puramente meccanica a sistema complesso elettronico, lo sterzo ha subito una trasformazione radicale. Nei veicoli tradizionali, il collegamento tra volante e ruote era interamente meccanico. I sensori di coppia dello sterzo e i sensori di angolo di sterzata forniscono queste informazioni. Il primo misura la forza applicata dal conducente sul volante, mentre il secondo rileva la posizione angolare e la velocità di rotazione dello sterzo.
Il sensore di coppia dello sterzo è un componente progettato per misurare la torsione applicata all’albero dello sterzo quando il conducente gira il volante. Questa torsione è direttamente proporzionale alla forza esercitata dal guidatore. Quando il volante viene ruotato, l’albero subisce una leggera torsione elastica. Il sensore rileva questa variazione e la trasforma in un segnale elettrico. Tale segnale viene inviato alla centralina del servosterzo elettrico, che calcola quanta assistenza fornire. Questo processo avviene in modo continuo e praticamente istantaneo, garantendo una sensazione di guida fluida e naturale.
Accanto al sensore di coppia, il sensore angolo di sterzata riveste un’importanza altrettanto cruciale. Questo dispositivo misura l’angolo di rotazione del volante rispetto alla posizione centrale, oltre alla velocità con cui viene ruotato. Il sensore di angolo di sterzata è generalmente montato sulla colonna dello sterzo o integrato nel modulo del volante. Utilizza tecnologie come encoder ottici, sensori Hall o sistemi magnetoresistivi per rilevare con estrema precisione la posizione angolare. Grazie a questo sensore, il veicolo è in grado di confrontare la traiettoria desiderata dal conducente con quella reale, intervenendo in caso di sottosterzo o sovrasterzo.
Il Servosterzo Elettrico e l'Interazione dei Sensori
Il servosterzo elettrico (EPS) rappresenta una delle applicazioni più dirette e diffuse dei sensori di coppia e di angolo di sterzata. A differenza dei sistemi idraulici tradizionali, il servosterzo elettrico utilizza un motore elettrico controllato da una centralina. Il sensore di coppia informa il sistema sulla forza esercitata dal conducente, mentre il sensore di angolo fornisce indicazioni sulla direzione e sull’ampiezza della sterzata. Combinando questi dati con altre informazioni, come la velocità del veicolo, il sistema regola l’assistenza in modo dinamico.
Un sensore funzionante garantisce il corretto funzionamento del servosterzo. Il sensore dell'angolo dello sterzo è un elemento del servosterzo elettrico che determina la posizione dello sterzo in un intervallo di 720 gradi in ciascuna direzione. Il sensore è spesso installato sul piantone elettrico sotto il volante, meno frequentemente sull'albero distributore. Cosa misura questo sensore: angolo di sterzata del volante, direzione di sterzata e velocità di sterzata. Il sensore è collegato al controller del servosterzo che, sulla base dei dati ricevuti, regola il funzionamento del motore del servosterzo.
Tipi di Sensori di Angolo di Sterzata: Evoluzione Tecnologica
Esistono tre tipi principali di sensori dell'angolo di sterzata, che differiscono per principi di funzionamento e struttura: potenziometrico, ottico e magnetoresistivo.
Sensore Potenziometrico: L'Approccio Classico
I sensori potenziometrici appartengono al gruppo dei sensori a contatto. Il gruppo è costituito da due potenziometri montati sul piantone dello sterzo. Per garantire una misurazione corretta degli angoli relativi e assoluti del volante, un potenziometro è sfalsato di 90 gradi rispetto all'altro. Come funziona questo sensore? È semplice: maggiore è l'angolo di sterzata del volante, maggiore è la resistenza sul potenziometro. La resistenza aumenta in modo proporzionale all'angolo di rotazione. Il vantaggio principale dei sensori potenziometrici è la loro struttura semplice, mentre lo svantaggio principale è la scarsa affidabilità. Nelle auto moderne, questo tipo di sensore è molto raro.
Il sensore analogico dell'angolo di sterzata si compone di due potenziometri, chiamati anche partitori di tensione, che si avvalgono di un rivestimento resistivo fisso, spesso in carbonio, dal quale passa la tensione. Un contatto scorrevole si sposta su tale rivestimento e la posizione in cui si trova in un determinato momento indica la quantità di tensione trasmessa. Esistono versioni che operano con una tensione di riferimento di 5 volt, altre si avvalgono di 12 volt. Il secondo partitore di tensione non è inteso come mezzo di controllo, ma serve a determinare la direzione dello sterzo: a sinistra o a destra. Posizionando i due partitori uno opposto all'altro, grazie alla differenza di tensione si può determinare se lo sterzo ruota in senso orario o antiorario. La tensione fornita in posizione neutra (ovvero quando sterzo e ruote sono paralleli all'asse del veicolo) può variare a seconda del partitore, in modo da poter verificare se il sensore dell'angolo di sterzata funziona correttamente.
Sensore Ottico: L'Evoluzione Digitale
Il sensore ottico è una versione più avanzata del dispositivo tattile. Il gruppo è composto da un disco di codifica, LED, fotoresistori e un blocco che determina i giri completi. Il disco di codifica è fissato all'albero del piantone dello sterzo ed è costituito da anelli segmentali interni ed esterni. L'anello interno ha diversi fori distanziati in modo uniforme, mentre l'anello esterno ha fori distanziati in modo irregolare. La struttura dell'anello segmentale interno consente di determinare l'angolo di rotazione del volante, mentre il sensore determina la direzione di rotazione utilizzando l'anello esterno. I LED sono posizionati tra gli anelli e i fotoresistori sono installati all'esterno degli anelli. Il numero di sorgenti luminose e fotoresistori dipende dal modello del sensore.
Come funziona il sensore ottico? Quando il conducente gira il volante, la luce dei LED colpisce i fotoresistori, generando tensione nel circuito elettrico. L'unità di controllo elettronico legge gli impulsi di tensione e calcola l'angolo e la direzione di rotazione del volante. I sensori ottici sono più comuni di quelli potenziometrici. Mercedes-Benz, in particolare, è stata per parecchio tempo una sostenitrice accanita dei sensori dell'angolo di sterzata di tipo ottico. Anche questo tipo di sensore genera vari segnali quadri, ma sfrutta la luce invece del magnetismo. A prima vista si potrebbe pensare che questo tipo di sensori funzioni bene tanto quanto un sensore a effetto Hall, ma in realtà il sensore ottico ha un acerrimo nemico: la sporcizia. Infatti, può bastare un po' di polvere per bloccare il fascio di luce e, di conseguenza, disturbare il segnale.
Sensore Magnetoresistivo: La Tecnologia di Punta
La maggior parte dei moderni sistemi di servosterzo elettrico utilizza sensori magnetoresistivi. Il sensore magnetoresistivo misura l'angolo di sterzata e la direzione del volante e rileva la velocità angolare con cui si gira il volante. Pertanto, l'unità di controllo determina e regola con maggiore precisione la velocità del motore elettrico. Struttura del sensore magnetoresistivo: alloggiamento, magnetoresistori, magneti mobili. Gli elementi centrali del sensore sono magnetoresistori giganti (GMR) o loro equivalenti, magnetoresistori anisotropici (AMR). I magneti mobili ruotano attraverso un ingranaggio, con ogni ruota motrice successiva che ha un dente in più rispetto alla precedente.
Come funziona il sensore magnetoresistivo? Per ogni posizione del volante, c'è una determinata posizione dei magneti mobili. I magnetoresistori determinano le posizioni dei magneti e, sulla base dei dati ottenuti, l'unità di controllo calcola l'angolo di sterzata, la direzione e la velocità angolare del volante. I sensori magnetoresistivi sono i più moderni e affidabili tra tutti i tipi descritti.
I sensori a effetto Hall (ne esistono vari) sono in grado di rilevare ogni movimento con una precisione di 1,5 gradi e di inviare segnali quadri alla centralina. La fase del segnale di ciascun sensore Hall è diversa così da consentire di determinare subito la direzione di rotazione e di capire se il sensore non funziona correttamente. Seguono le misurazioni dell'angolo di sterzata, della direzione di rotazione e della velocità di rotazione.
Oltre il Servosterzo: Altre Applicazioni dei Sensori di Angolo di Sterzata
Oltre all'assistenza del servosterzo, il sensore dell'angolo di sterzata può essere collegato a moduli quali:
- Cruise control adattivo: Questo sistema utilizza il sensore per mantenere una distanza preimpostata dal veicolo che precede, regolando automaticamente la velocità.
- Assistente di mantenimento della corsia: Il sensore informa il sistema sulla traiettoria desiderata dal conducente, permettendo al sistema di intervenire per mantenere il veicolo all'interno della corsia.
- Illuminazione adattiva: In base all'angolo di sterzata, il sistema può orientare i fari per migliorare la visibilità in curva.
- Sistema di sterzo attivo: Sistemi più sofisticati possono utilizzare il sensore per offrire diverse modalità di sterzata, come una sterzata più diretta o più morbida.
- Sospensioni attive: In alcuni veicoli, le informazioni sull'angolo di sterzata possono essere utilizzate per regolare attivamente le sospensioni, migliorando il comfort e la tenuta di strada.
L'ECU dell'ESP necessita anche di valori puntuali che indichino i movimenti effettuati dal veicolo. Proprio a questo servono i sensori di accelerazione, suddivisi in due tipi: i sensori di accelerazione laterale e i sensori dell'angolo di imbardata. Tuttavia, non vi troverete mai di fronte a questi sensori separati: sia Continental sia Bosch li hanno infatti integrati in un unica sede. Il sensore ESP utilizza un'alimentazione (12 V), una massa e un bit (segnale quadro, 0-6,8 V). Il bit viene utilizzato come mezzo di controllo e inviato congiuntamente al segnale in uscita del sensore dell'angolo di imbardata. Il sensore dell'angolo di imbardata si serve di una tensione di riferimento (2,5 V). Il sensore dell'angolo di imbardata influirà su questa tensione di riferimento: positivamente in caso di angolo di imbardata positivo, negativamente in caso contrario. L'output varia da 0,7 a 4,3 V. ATTENZIONE! Il sensore di accelerazione laterale non utilizza tensione di riferimento né bit di controllo. Il segnale in uscita è lineare e varia da 0,5 a 4,5 V.
Il sensore angolo sterzo è un componente fondamentale del sistema di controllo elettronico della stabilità del veicolo (sistema ESC). Il sensore angolo di sterzata serve infatti a rilevare con precisione la posizione delle ruote in base all’angolo di ingresso dello sterzo, e lavora in sinergia con i vari sensori del sistema di controllo stabilità, accelerometro e sensore velocità delle ruote per monitorare l’assetto dinamico del veicolo e inviare le informazioni alla centralina ABS per avere il controllo ottimale del veicolo. In pratica, il sensore di coppia collegato al piantone dello sterzo rileva l’angolo con cui si sposta il piantone mentre si sterza con il volante e tale dato è inviato alla centralina per controllare la sterzata della vettura e la stabilità del veicolo.
Connessioni Elettriche: Un Aspetto Cruciale
Un aspetto spesso sottovalutato, ma di fondamentale importanza per il corretto funzionamento dei sensori di coppia dello sterzo e dei sensori di angolo di sterzata, riguarda le modalità di connessione elettrica. La trasmissione del segnale dal sensore alla centralina deve avvenire in modo affidabile, continuo e immune da interferenze, soprattutto considerando che lo sterzo è soggetto a vibrazioni, rotazioni e variazioni termiche.
La connessione più tradizionale è quella realizzata tramite fili e presa cablata. In questa configurazione, il sensore è collegato al cablaggio del veicolo mediante un connettore dedicato, generalmente dotato di sistemi di bloccaggio meccanico per evitare disconnessioni accidentali. I segnali elettrici viaggiano attraverso fili schermati, progettati per ridurre il rumore elettrico e garantire una lettura stabile anche in condizioni operative gravose. Questa soluzione è particolarmente diffusa nei sistemi di servosterzo elettrico di prima e seconda generazione, dove la robustezza e la semplicità di manutenzione rappresentano un vantaggio significativo.
Accanto alla connessione cablata tradizionale, si è progressivamente affermata la soluzione con linguetta flat da saldare, spesso realizzata tramite flat cable o circuiti flessibili. In questo caso, il sensore è collegato direttamente alla scheda elettronica o al modulo di controllo mediante una linguetta piatta, che viene saldata o inserita in un connettore a pressione. Questa tecnologia consente una notevole riduzione degli ingombri e del peso complessivo, un aspetto sempre più rilevante nella progettazione dei moderni sistemi di sterzo.
Le differenze tra le due tipologie di connessione emergono soprattutto in termini di applicazione e requisiti progettuali. La presa cablata con fili offre una maggiore tolleranza alle sollecitazioni meccaniche e alle operazioni di manutenzione, risultando ideale per sistemi in cui è richiesta una certa modularità. Dal punto di vista dell’affidabilità, entrambe le soluzioni possono garantire elevati standard qualitativi se correttamente progettate e installate. Tuttavia, la connessione flat richiede processi produttivi più accurati e controlli rigorosi, poiché una saldatura imperfetta o una microfrattura del circuito flessibile possono compromettere la qualità del segnale. In definitiva, la scelta tra connessione con fili e presa cablata o linguetta flat da saldare dipende dal tipo di sensore di sterzo, dall’architettura elettronica del veicolo e dagli obiettivi di progettazione.
Cause e Segni di Guasto del Sensore
Il sensore dell'angolo di sterzata è un gruppo elettromeccanico. Pertanto, i suoi punti deboli sono gli elementi metallici e il cablaggio. Ad esempio, se il coperchio protettivo dell'albero distributore si rompe, l'albero inizierà ad arrugginirsi. Se questo problema non viene risolto in tempo, la corrosione raggiungerà gradualmente il sensore. Inoltre, se il sensore è installato sulla cremagliera dello sterzo e vi penetrano umidità e sporcizia, gli elementi del circuito elettrico potrebbero guastarsi e il sensore smetterà di funzionare o rileverà in modo errato l'angolo di sterzata, la direzione e la velocità di rotazione del volante.
Il sensore dell'angolo del volante è un meccanismo preciso e delicato. Le sue letture vengono rifiutate se lo zero fisico viene spostato, la geometria delle sospensioni viene violata o la batteria viene scollegata. Segni di guasto del sensore di posizione del volante:
- Spie gialle (guasto) o rosse (spegnimento completo del servosterzo) sul cruscotto: Queste spie indicano un problema con il sistema di sterzo, spesso correlato al sensore.
- Il volante è difficile da girare, ci sono scatti e vibrazioni da un lato all'altro: Questi sintomi suggeriscono che il servosterzo non sta funzionando correttamente, potenzialmente a causa di dati errati dal sensore.
- Le ruote rispondono con un ritardo alle sterzate e l'auto tira da un lato: Questo indica un disallineamento tra l'intenzione del conducente e la risposta del veicolo, che può essere causato da un sensore difettoso.
Se si verifica un problema con il sensore, c'è solo un'opzione: recarsi presso un'officina specializzata per riparare il sistema di sterzo. Solo un tecnico esperto con le attrezzature e gli strumenti adeguati potrà individuare la causa del malfunzionamento e ripararlo senza conseguenze gravi per l'intero sistema di sterzo.
La diagnosi di questi sensori avviene tramite strumenti diagnostici che leggono i codici di errore memorizzati nelle centraline. Come tutti i componenti elettronici, anche i sensori di coppia dello sterzo e di angolo di sterzata possono essere soggetti a usura, malfunzionamenti o errori di calibrazione.
Quando è necessario calibrare il sensore dell'angolo di sterzo?
Manutenzione e Calibrazione
La calibrazione di un sensore dell'angolo di sterzata non è affatto complicata, con se ci si aiuta con un buon strumento di diagnosi. Spesso basta sterzare il volante del tutto verso sinistra e poi del tutto verso destra per tarare completamente il sensore. Esistono anche sensori autocalibranti, per tarare i quali basta attivare il quadro di avviamento e sterzare il volante del tutto verso sinistra e poi del tutto verso destra. In molti casi, anche il sistema ESP può determinare se sia necessario calibrare il sensore confrontando i valori del sensore dell'angolo di sterzata con quelli dei sensori di accelerazione.
Con la diffusione dei sistemi di controllo elettronico della stabilità (ESC), l’intervento di ripristino del SAS è diventato di routine per gli autoriparatori, anche nei casi in cui non si riscontra un guasto al sensore angolo di sterzo. La calibrazione del sensore angolo di sterzo diventa quindi un’operazione imprescindibile per assicurare il corretto funzionamento dei vari dispositivi e dell’intero sistema di controllo della stabilità. Un sensore sterzo non correttamente calibrato porta infatti in breve tempo all’accensione della spia ESC e alla disabilitazione del sistema ESC.
Oltre alla procedure di reset del sensore angolo di sterzo, che come visto sopra si rende necessaria dopo l’intervento di allineamento ruote, nei veicoli dotati di ADAS è spesso richiesta la ricalibrazione del sensore quando si va a intervenire su dispositivi come il mantenimento di corsia o la frenata automatica d’emergenza o il cruise control adattivo. Il sensore angolo di sterzo interagisce infatti con tutti gli altri sensori dei dispositivi ADAS ed è dunque necessario calibrare il sensore della sterzata con i componenti di questi sistemi che entrano in gioco. Nei veicoli più recenti può essere sufficiente la calibrazione automatica, procedura che avviene in automatico ruotando lo sterzo prima da una parte e poi dall’altra. In altri casi è necessario seguire la procedura prevista dal costruttore e attivare la serie di comandi prevista per avviare la calibrazione del sensore. Nella maggior parte dei veicoli è necessario lo strumento diagnostico per ricalibrare il sensore. In alcuni dispositivi di allineamento è presente un’apposita funzione automatica di ripristino del sensore angolo di sterzo, non richiedendo quindi di utilizzare successivamente lo strumento di diagnosi. È in genere consigliato di eseguire la calibrazione del SAS con il veicolo a terra e non su un sollevatore.
Il Futuro dei Sensori di Sterzo
L'evoluzione dei sensori di sterzo è strettamente legata allo sviluppo della guida autonoma e dei sistemi steer-by-wire. In questi scenari, il collegamento meccanico tradizionale tra volante e ruote potrebbe essere eliminato, affidando completamente il controllo dello sterzo a sistemi elettronici. I sensori del futuro saranno sempre più precisi, compatti e integrati, capaci di fornire dati in tempo reale con un livello di sicurezza elevatissimo.
I sensori angolo di rotazione CIPOS® (Contact Less Inductive Position Sensor) di HELLA possono essere utilizzati in numerose applicazioni per misurare gli angoli in modo preciso e affidabile. L'angolo viene determinato in modo induttivo mediante una procedura senza contatto e dunque senza usura. Ciò garantisce un'elevata precisione di misurazione per l'intera vita utile del sensore. Poiché non è necessario alcun magnete, i sensori angolo di rotazione garantiscono anche l'insensibilità ai campi magnetici e alle linee per correnti forti. Questo rende la tecnologia ideale per l'uso nei veicoli elettrici. In particolare i sensori ridondanti (sensori doppi) permettono di riconoscere i guasti assicurando così un livello di sicurezza più elevato dell'intero sistema.
In sintesi, i sensori di coppia dello sterzo e di angolo di sterzata sono componenti essenziali nei veicoli moderni che migliorano significativamente l’esperienza di guida e la sicurezza. Misurando accuratamente la coppia applicata al volante, consentono una servoassistenza reattiva e abilitano sistemi avanzati di assistenza alla guida. Poiché la tecnologia automobilistica continua ad evolversi, questi sensori svolgeranno un ruolo ancora più critico nel garantire un funzionamento sicuro ed efficiente del veicolo.