Presentazione di PowerPoint

ALMA MATER STUDIORUM
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
Facoltà di INGEGNERIA
Corso di laurea in INGEGNERIA MECCANICA
ALCUNE PROPOSTE PER MIGLIORARE
L’AFFIDABILITÀ COMPLESSIVA DELLE
MODERNE AUTOVETTURE
Tesi di laurea in Disegno Tecnico Industriale
Candidato MATTEO MAZZINI
Relatore Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI
a.a. 2004/2005
OBIETTIVO
•Oggetto di questo studio è un’analisi dei sistemi elettronici attualmente
esistenti sul mercato, cercando di capire il loro funzionamento e come sono
collegati tra di loro.
•Successivamente sulla base dei dati di affidabilità si valutano alcune
soluzioni alternative per migliorare una situazione già diventata abbastanza
critica.
•Si procede pertanto ad illustrare i principali sistemi elettronici presenti
attualmente a bordo delle automobili, suddividendo tali sistemi nelle aree su
cui agiscono.
GESTIONE DEL MOTORE
I dispositivi elettronici che influenzano il funzionamento del propulsore sono
fondamentalmente quattro:
•LA CENTRALINA ELETTRONICA
•IL SISTEMA DI FASATURA VARIABILE
•IL SISTEMA D’INIEZIONE DIESEL COMMON RAIL
•L’ACCELERATORE ELETTRONICO THROTTLE- BY-WIRE
LA CENTRALINA ELETTRONICA
La centralina è il sistema elettronico che in base ad una serie di istruzioni
premorizzate ed alle informazioni ricevute da vari sensori, è in grado di
ottimizzare il funzionamento del propulsore.
Le informazioni che la centralina riceve generalmente riguardano:
•Il numero di giri del motore
•La quantità dell’aria aspirata
•La temperatura del liquido refrigerante
•La posizione della farfalla
•La velocità dell’auto
•L’eventuale presenza di detonazione
•La quantità di ossigeno nei gas di scarico (sonda Lambda)
SISTEMI DI FASATURA VARIABILE
Il principio di funzionamento su cui si
basa il V-TEC della Honda (sistema
di comando elettronico della
variazione della fase e dell’alzata
delle valvole) consiste
nell’incrementare la miscela
aria\benzina e la quantità di gas di
scarico che abbandona il cilindro
lungo tutto l’arco di giri del motore.
La soluzione adottata dalla Porsche
denominata VarioCam Plus,
mediante una regolazione dell’albero
a camme e dell’alzata delle valvole,
consente di ottimizzare le
prestazioni, la coppia ed il consumo
di carburante a tutti i regimi.
SISTEMA D’INIEZIONE COMMON RAIL
Il common rail è un sistema
d’iniezione ad alta pressione
per motori ad iniezione diretta,
il cui elemento centrale è un
accumulatore comune di
gasolio. L’elevata pressione
massima d’iniezione favorisce
la particolarizzazione del
gasolio, garantendo una
migliore combustione,
rendimenti più alti e minori
incombusti allo scarico.
Grazie alla possibilità di una
preiniezione, che abbrevia il
ritardo di accensione, è inoltre
possibile ridurre anche
rumorosità e vibrazioni.
Il carburante da iniettare viene prelevato dal rail e può
essere regolato alla pressione desiderata
indipendentemente dalla portata di iniezione.
ACCELERATORE ELETTRONICO
THROTTLE-BY-WIRE
Questo dispositivo elimina il collegamento meccanico tra il pedale dell’acceleratore e la
valvola a farfalla che era realizzato tramite un cavo in acciaio, ma lascia al pedale il compito
di segnalare le intenzioni del guidatore all’elettronica di controllo, attraverso un
potenziometro di precisione.
Oltre a modulare la coppia motrice in caso di fondo scivoloso, l’elettronica di gestione
dell’acceleratore si è dimostrata molto utile anche per le regolazioni di punta del motore,
come il limitatore dei giri o il blocco della velocità massima. La farfalla elettronica consente
poi di realizzare una regolazione del minimo ottimale in qualsiasi condizione di esercizio del
motore.
Un altro aspetto interessante
del sistema è la possibilità di
variare la reattività della
farfalla secondo programmi
memorizzati nella logica di
controllo.
CONTROLLO DELLA VETTURA
SICUREZZA ATTIVA
La sicurezza attiva di
un’automobile è
rappresentata dall’insieme
dei dispositivi che
contribuiscono a rendere più
sicura la marcia su strada,
cercando di prevenire ed
evitare situazioni di pericolo
SICUREZZA PASSIVA
Contribuiscono a migliorare
la sicurezza passiva di
un’autovettura i sistemi atti
a garantire la massima
protezione possibile degli
occupanti a seguito di un
incidente
SICUREZZA ATTIVA
ABS
ESP
L’ESP è nato come dispositivo in grado di
limitare la perdita di aderenza laterale del
pneumatico. Abbinato all’ABS e all’ASR,
(dispositivo che evita il pattinamento in
accelerazione), include anche un rivelatore di
imbardata che misura l’accelerazione
angolare della vettura sull’asse verticale
E’ stato realizzato per governare la vettura
durante una frenata alla massima intensità
effettuata esercitando la massima pressione
sul pedale del freno. In una frenata di tale
intensità una vettura priva di ABS prosegue
la sua corsa nella direzione rettilinea che la
forza di inerzia le ha imposto senza
possibilità di correzioni; invece con l’ABS,
sempre nelle stesse condizioni di frenata, la
vettura risponde alle sollecitazioni dello
sterzo consentendo di cambiare traiettoria e
quindi di evitare ostacoli
SICUREZZA PASSIVA
PRETENSIONATORI E
POGGIATESTA ATTIVI
AIRBAG
In caso di impatto frontale o laterale, in vari punti
dell’abitacolo si gonfiano una serie di cuscini che
hanno il compito di attutire il movimento del corpo
dei passeggeri e di evitare che questi vadano a
sbattere contro le superfici interne della vettura,
procurandosi ferite o traumi gravi
I pretensionatori delle cinture di
sicurezza, hanno il compito di evitare
che il corpo degli occupanti, spinto
dalla forza d’inerzia, si allontani troppo
dal sedile. Grazie ai pretensionatori, la
cintura in caso di incidente, arretra
automaticamente di alcuni centimetri,
così il passeggero è maggiormente
vincolato
Fra gli altri dispositivi per la sicurezza passiva,
risultano importanti anche:
•I ROLLBAR AUTOMATICI
•PRESAFE
COMFORT
Grazie all’elettronica sono stati fatti molti progressi per quanto riguarda il comfort di
bordo dell’autovettura. I dispositivi elettronici e le altre apparecchiature presenti in
dotazione sulle autovetture moderne sono stati riprogettati in modo da conferire maggior
affidabilità e silenziosità al veicolo e hanno indotto una sensazione di sicurezza al
guidatore e ai passeggeri. Si elencano ora alcuni importanti sistemi presenti sulle
autovetture:
•CLIMATIZZATORE
•SISTEMA DI NAVIGAZIONE
•COMPUTER DI BORDO
•PARKTRONIC
•CHIAVE ELETTRONICA
•CRUISE CONTROL
•SERVOSTERZO
SISTEMI DI TRASMISSIONE
Come in tutti gli altri elementi delle automobili, l’elettronica è entrata a gestire e sovrintendere al
funzionamento dei sistemi di trasmissione fra i quali:
•FRIZIONE AUTOMATICA
•TIPTRONIC
L’innesto ed il disinnesto avvengono senza
l’intervento del conducente su ordine di una
centralina elettronica che, dopo aver elaborato
le informazioni ricevute da alcuni sensori,
mette in moto un sistema elettroidraulico che
agisce su una frizione monodisco a secco
convenzionale
•SELESPEED: Si tratta del cambio a funzionamento
sequenziale-automatico prodotto da Alfa Romeo, è la centralina
elettronica che controlla il cambio a chiedere di aprire la frizione,
ridurre la coppia indipendentemente da quanto l'acceleratore viene
premuto, selezionare ed innestare le marce
Il Tiptronic è una normalissima
trasmissione automatica, la quale però
consente al guidatore di inserire
manualmente un numero di rapporti
deciso dal costruttore, consentendo così
al pilota di avere due tipi di trasmissione
nella stessa vettura
•MULTITRONIC: Il Multitronic è il nuovo cambio a
variazione continua progettato dall’Audi, è caratterizzato da una
cinghia metallica che collega due pulegge traslabili in senso
assiale
Altra particolarità del Multitronic è la frizione a lamelle gestita
elettronicamente in luogo del convertitore di coppia idraulico
SISTEMA DI COLLEGAMENTO
CANBUS
•
•
•
Questo è il sistema messo a punto dalla Bosch per ovviare al problema
dell’affollamento di cavi elettrici nelle moderne automobili provocato dall’aumento delle
funzioni gestite dall’elettronica.
Il CAN (Controller Area Network) si avvale di un collegamento a rete «multiplex» che
collega le varie centraline e trasmette su una sola linea (chiamata anche «bus di dati»)
un gran numero di informazioni e comandi.
Uno dei vantaggi più importanti del CAN è anche quello di far dialogare le varie
centraline fra loro per coordinare azioni in comune che prevedono scambi di dati in
tempi brevissimi, la conferma di avere ricevuto e correttamente interpretato le
informazioni, la segnalazione di eventuali errori. Il bus CAN trasmette i dati dando
priorità a quelli più importanti.
SOLUZIONE CANBUS
VANTAGGI
•Elevata flessibilità
•Riconoscimento di errori di
trasmissione
•Risparmio sui costi di
progettazione ed
installazione
•Comunicazione tra le varie
centraline
SVANTAGGI
•Difficoltà nel trovare una
corretta ubicazione
all’elevato numero di
centraline
•La soluzione attuale non
presenta ridondanza tranne in
alcuni casi
INSODDISFAZIONE DEL
CLIENTE
Tutte le sofisticazioni precedentemente elencate aumentano sicuramente l’interesse ed il
prestigio di una determinata vettura e la rendono più facile, sicura e piacevole da guidare.
La conseguenza di tutto ciò è che la vettura diventa appetibile per un numero superiore di
clienti. Ecco perché è diventato di fondamentale importanza per le case costruttrici
cercare di anticipare la concorrenza proponendo in anteprima soluzioni inedite e sempre
di maggior impatto sui clienti.
Con il proliferare di componenti elettroniche, il livello di attenzione che i costruttori
devono prestare sul tema dell’affidabilità diventa esponenzialmente superiore
RISCHIO DI PERDITE
ECONOMICHE RILEVANTI
OCCORRONO SOLUZIONI ALTERNATIVE
PER MIGLIORARE LA SITUAZIONE
SOLUZIONE ALTERNATIVA
AERONAUTICA
Tutte le varie funzioni svolte dall’aereo vengono effettuate e coordinate da quattro
microprocessori che lavorano in parallelo (sistema quadri ridondante). Su ognuno di
questi microprocessori girano gli stessi software ed i dati che arrivano dai vari sensori
tramite un sistema simile al CanBus, vengono condivisi ed analizzati da tutti
contemporaneamente. I risultati delle analisi vengono successivamente messi a
confronto allo scopo di verificare se esistono delle discrepanze indesiderate
VANTAGGI
•La gestione dei software è relativamente semplice
•La ridondanza quadrupla riduce notevolmente i rischi di
rimanere senza neanche un microprocessore funzionante
•La manutenzione è molto semplice
•Il sistema è facilmente espandibile
•L’avaria di uno o più microprocessori non inibisce il
funzionamento di nessuna delle funzioni del sistema
Questa soluzione si trova in antitesi con quella adottata dalle automobili
SOLUZIONE ALTERNATIVA
AUTOMOBILISTICA
•Per ogni funzione della vettura esiste una centralina
dedicata, con un proprio sistema di controllo ed
autodiagnosi dei dati
•L’avaria di una centralina inibisce definitivamente il
funzionamento dei sistemi da essa controllati
•Per espandere il sistema è necessario istallare sulla
vettura un numero di centraline pari alle funzioni che si
vogliono inserire
•La gestione del software è tutt’altro che semplice
•L’affidabilità del sistema Multiplex delle automobili è
calcolabile considerandolo un sistema in serie, dove
l’affidabilità generale è data dal prodotto delle
affidabilità delle singole centraline
CONFRONTO FRA LE SOLUZIONI
AERONAUTICA
AUTOMOBILISTICA
•Si prendono in considerazione quattro
microprocessori disposti in parallelo
•Si prende in considerazione una moderna
Luxury car con circa 70 centraline
L’affidabilità è del 99,99999993 %, tale risultato non
è riferito all’evento singolo ma rimane costante
•Si adotta un collegamento in serie fra gli
elementi
L’incremento di affidabilità in ogni singolo evento:
Centralina singola 0,5 %
Sistema di comunicazione 8 %
Gestione organi meccanici ed Airbag 1,5 %
Sistema generico 1,1 %
L’affidabilità delle centraline è del
Veicolo in panne 4,3 %
Sicurezza 16,7 %
Legenda:
L’affidabilità del sistema di comunicazione è del 92,6 %
Incremento percentuale di affidabilità ottenibile
con la soluzione alternativa
20
S.G. = Sistema Generico
G.O.M. = Gestione Organi
Meccanici
S.C. = Sistema di
Comunicazione
V.U.M = Veicolo
Utilizzabile
S.S. = Sistemi di Sicurezza
99,5 %
L’affidabilità del sistema di gestione degli organi
meccanici è del 98,5 %
L’affidabilità dei sistemi di sicurezza ed airbag è del
98,5 %
15
10
5
L’affidabilità dei sistemi rimanenti è del 98,9 %
0
S.G.
G.O.M.
S.C.
V.U.
S.S.
L’affidabilità in caso di veicolo in panne è del 95,9 %
L’affidabilità in termini di sicurezza è del 84,8 %
I CRASH TEST
•CRASH TEST FRONTALE DISASSATO
L'autovettura testata viene fatta impattare alla
velocità di 64km/h con il 40% del frontale
anteriore (lato guida) contro una barriera
d'alluminio deformabile
•PROTEZIONE DELLA
TESTA
In questo test l'autovettura
viene proiettata
lateralmente, dalla parte del
lato guida, alla velocità di
29km/h contro un palo
rigido
•CRASH TEST LATERALE
Viene eseguito alla velocità di 50Km/h. Un carrello, viene
proiettato con traiettoria perpendicolare, contro il lato guida
Eseguito alla velocità di 40Km/h.Viene controllato il dell'autovettura testata, che è ferma, per simulare un impatto
modo in cui le varie parti del corpo colpiscono
laterale
l'autovettura ed in base a questa analisi si determina il
rischio di lesioni
•TEST D’IMPATTO CON PEDONE
VALUTAZIONE SUI COSTI
LUXURY CAR DA
100.000€ dotata di circa 70
centraline
Microprocessori di ultima
generazione a 128 bit 200MHZ
[(1200 x 0.07)+(300 x 0.8)+(180 x 0.13)] x 70
= 24318€
•Si può considerare che ciascuno dei quattro
microprocessori montati in parallelo possa
avere un costo di circa 2450€ per un totale
di 9800€
•Al costruttore costano un quinto di questa
cifra, in più il costo industriale dell’automobile
è un quarto del prezzo al pubblico
•Questa cifra è del 60% inferiore a quella
richiesta attualmente per montare le 70
centraline
Costo totale:
•La percentuale di costo delle centraline sul
prezzo totale è :
[4864 / 25.000] x 100 = 19,46 %
•Un quinto del costo dell’auto è imputabile alle
centraline che monta.
CONCLUSIONI
I vantaggi derivanti dall’adozione dei sistemi alternativi preso in esame possono essere
così riassunti:
•aumento globale dell’affidabilità dei sistemi elettronici delle autovetture con incrementi compresi tra
1,1% e 16,7%
•riduzione drastica della possibilità di perdere importanti funzionalità del veicolo grazie alla
ridondanza quadrupla
•aumento del grado di sicurezza della vettura
•notevole semplificazione dal punto di vista della progettazione dei sistemi elettronici da istallare a
bordo
•riduzione dei costi totali del veicolo
•risparmio sui costi di manutenzione straordinaria
Comunque sia il problema dell’affidabilità dovrà essere preso in considerazione in maniera
appropriata ed in tempi brevi, essendo infatti inaccettabile che un auto di 20 anni fa sia più
affidabile di quelle attualmente in commercio. Evidentemente negli ultimi anni
l’attenzione dei costruttori è stata rivolta maggiormente ad uno sviluppo tecnologico molto
rapido per cercare di primeggiare sul mercato, dimenticandosi di tutelare sufficientemente
i clienti.