I sensori hanno un ruolo sempre più importante, diremo imprescindibile, nell’automotive e basta pensare, per esempio, a quelli coinvolti nella gestione del motore per rendersene conto. In questo quadro consolidato ormai da decenni c’è un componente, anche molto importante, che appare “indietro”: il pneumatico. I dati inviati dai sensori attuali sono già molto utili perché, a partire dalla pressione e dalla temperatura, permettono di inferire molte altre informazione ma l’industria guarda avanti e pensa a pneumatici in grado di instaurare un fitto dialogo non solo con il veicolo ma anche con le infrastrutture stradali, tramite collegamenti che usano le reti 5G. Già oggi è possibile offrire molti servizi e informazioni utili, per esempio, ai gestori delle flotte stradali cosi come ai mezzi di cantiere o agricoli, mirati alla massimizzazione dell’efficienza, alla riduzione dei fermo-macchina e all’aumento della sicurezza operativa. Servizi quali ContiConnect di Continental, SightLine di Goodyear o il Cybertyre di Pirelli sono soltanto degli esempi di piattaforme e temi che sono ben presenti anche nei programmi di Toyo Tires, Bridgestone, Michelin,Nokian, Hankook, Apollo. Il CyberTyre nella sua implementazione per la supercar ibrida McLaren Artura impiega sensori inseriti nella carcassa dei pneumatici e i dati da loro generati sono trattati mediante software realizzato da Pirelli e integrato nell’elettronica dell’auto. Se si montano pneumatici invernali il sistema, che riconosce le coperture montate, avvertirà il guidatore dell’eventuale differente indice di velocità. L’idea di Pirelli è che il veicolo “saprà” quale pneumatico sta usando, cosa che ha il potenziale per sfruttare al meglio le caratteristiche della copertura e la sua interazione con l’automobile, come la regolazione delle sospensioni attive e l’ottimizzazione di ABS o ESP. Volendo fare altri esempi citiamo che la piattaforma SightLine per i van e i commerciali leggeri permette di stimare anche l’usura del battistrada con la prospettiva di una valutazione del grip del manto stradale e che la ContiConnect ha caratteristiche simili.
Aggiungere valore
La linea di fondo è che i pneumatici potranno comunicare le condizioni delle strade e il loro stato di salute in tempo reale, connettendosi non solo al guidatore ma anche, tramite il cloud, agli altri veicoli e alle infrastrutture. L’analisi della cronologia di carico dei pneumatici consente approfondimenti sui comportamenti di guida e questa conoscenza può aiutare a capire meglio come sviluppare i pneumatici in modo che siano vicini alle esigenze degli automobilisti. C’è poi ampio consenso sul fatto che i sensori portino una serie di vantaggi per utenti finali, gestori di flotte e anche per i venditori di pneumatici e i produttori delle macchine. Piattaforme sul cloud, insieme alle relative app, permettono per esempio di monitorare i pneumatici per impieghi pesanti e vedere il loro comportamento nel ciclo di vita, aiutando gli utilizzatori a lavorare in modo più sostenibile e sicuro e i team di sviluppo a creare prodotti migliori. Il tipo di sensore e la complessità dei dati inviati possono variare in base alle esigenze del cliente: sensori montati nei pneumatici, più precisi e versatili di quelli nello stelo valvola, danno misure migliorate, che raccolte in un datalogger e combinate con dispositivi sugli assi dei veicoli, misurano più accuratamente le sollecitazioni sul pneumatico, arrivando a stimarne l’usura e promuovendo poi un’ispezione a seguito di uno shock meccanico improvviso e rilevante.
Sensori più evoluti
I prossimi sensori dei pneumatici devono essere facili da produrre ed economici, vista la loro futura adozione su larga scala, e avranno memorizzato anche l’ID del pneumatico stesso. I pneumatici, rotondi e soggetti a deformazioni, vibrazioni e urti, non sono gli ambienti ideali per inserire componenti elettronici, tenuto conto che le coperture sensorizzate devono avere la stessa sicurezza, integrità e durata di quelle standard, con il peso del sensore che impone ulteriori ottimizzazioni costrittive. Se è inserito nella carcassa, poi, vista la sua inaccessibilità occorre che funzioni (senza causare distacchi o crepe) per tutta la vita utile del pneumatico, comprese le eventuali ricostruzioni. La facilità di connessione e l’integrazione con i sistemi telematici è un altro requisito chiave, così come i miglioramenti tecnologici che dovranno aumentare la velocità di trasmissione dei dati senza ridurre la durata della batteria del sensore. La necessità che i sensori prossimi venturi siano particolarmente evoluti deriva anche dal loro essere importanti fornitori di dati per i sistemi di guida autonoma: le loro informazioni completeranno infatti la “percezione” dell’ambiente, così necessaria alla guida senza pilota.
Un altro “strato” per i veicoli autonomi
La capacità di un sensore per pneumatici di comprendere le condizioni stradali sarà infatti fondamentale per garantire prestazioni sicure e elevate ai veicoli autonomi: oggi è possibile “vedere” le condizioni del manto stradale con le videocamere ma non è possibile “sentirle” con il senso del tatto che un pneumatico, a diretto contatto con la strada, possiede. Combinando le informazioni dei sensori nei pneumatici (è un ulteriore “strato” di dati) con i metodi basati sulla visione si possono migliorare le stime dello stato della strada anche in quelle condizioni – guida notturna e avverse condizioni meteorologiche – nelle quali i sistemi di visione vedono inficiate le loro prestazioni. Il panorama attuale dei sensori e della tecnologia è molto diverso da quando si è iniziato a lavorare ai pneumatici sensorizzati: connessioni pervasive e sistemi intelligenti aiuteranno i veicoli, a prendere “decisioni” efficaci e sicure. Gli sviluppi futuri includono la connessione dei i pneumatici alla rete 5G, agli altri veicoli e alle infrastrutture circostanti – è un link V2X, Vehicle-to-Everything – per diramare allerte su condizioni stradali potenzialmente pericolose. Immettere i dati dei sensori e informazioni dettagliate sul veicolo è già possibile utilizzando le tecnologie esistenti, come CANbus o ISObus, ed è ipotizzabile una forte integrazione con Android Automotive, un sistema operativo che integra nel veicolo funzioni connesse anche in assenza di uno smartphone.
Alla fine occorrono le ruote fisiche
Negli ultimi anni, quasi ogni paradigma dell’automobilistica è stato sfidato, con l’eccezione di ruote e pneumatici, la cui vita si preannuncia molto lunga. Anche se sottotraccia, i cambiamenti però ci sono: i battery pack dei veicoli elettrici EV aumentano il peso e modificano significativamente la sua distribuzione. Di questo devono tener conto i pneumatici, che avranno fianchi più rigidi, una minore resistenza di rotolamento e una battistrada più resistente per gestire l’erogazione della coppia, quasi istantanea. In effetti un veicolo con motore a scoppio equipaggiato pneumatici per EV sembrerebbe meno confortevole mentre il montaggio contrario avrebbe un effetto negativo sulla durata. Il powertrain di un EV è molto più silenzioso e quindi il rumore dei pneumatici è più in evidenza: l’industria ha sviluppato soluzioni per questi aspetti, come disegni specifici per carcassa e battistrada e materiali fonoassorbenti all’interno della cavità. A queste coperture è anche richiesta una bassa resistenza di rotolamento, perché l’attrito si riflette direttamente sull’autonomia. Il processo di produzione del pneumatico è legato all’ottimizzazione della resistenza di rotolamento, misurabile con precisione con prove dinamiche e di laboratorio. La padronanza dei loro materiali e dei processi produttivi richiede non solo un articolato know-how ingegneristico ma anche modellazioni virtuali, simulazione numeriche e una valutazione del prodotto fisico.
Una tradizione al servizio dei test
Un’azienda che per decenni ha fornito a clienti e ingegneri automobilistici il necessario per i test dinamici dei pneumatici è la tedesca Kistler, le cui attrezzature sono usate, fra l’altro, da Megaride, spinoff dell’Università di Napoli della quale abbiamo già parlato su Pneurama. Gli hub sensorizzati di Kistler misurano, su strada come in laboratorio, resistenza al rotolamento, uniformità ad alta velocità, usura e resistenza meccanica della copertura e sono usati anche per la convalida sperimentale dei modelli numerici e della dinamica dei pneumatici. I trasduttori di forza e gli accelerometri permettono di acquisire il carico effettivo, dati sulla dinamica e informazioni utili per minimizzare l’ottimizzazione dei livelli di NVH - Noise, Vibration and Harshness percepiti nei veicoli. Il Kistler Roadyn racing è molto sofisticato e, grazie ai suoi sofisticati trasduttori, viene usato da molti team degli sport del motore. Il KiRoad HDR wireless misura le forze sulle ruote per indagare la dinamica del veicolo, le prestazioni e la stabilità operativa degli pneumatici; la sua telemetria a lunga distanza usa il Wi-Fi alla frequenza di 2,4 GHz e può essere utilizzato con varie piattaforme di misurazione RoaDyn. Il sistema costituito dallo strumento RoaDyn P530 e dai mozzi sensorizzati P5MT misura invece in laboratorio il comportamento dinamico di uno pneumatico, la risposta temporale transitoria all’impatto e il suo spettro della densità di potenza, una misura di come si distribuisce, al variare della frequenza, la potenza di un eventuale urto. Questa misurazione avviene facendo ruotare il pneumatico contro un cilindro dotato di un rilievo che simula un urto; il software jBEAM compie l’analisi dei dati e il relativo reporting. Per concludere pensiamo che qualunque innovazione dirompente è preceduta da una corretta comprensione della fisica, figlia di misure accurate. Dopo aver rivoluzionato la creazione e la distribuzione della potenza in un veicolo, la sua distribuzione delle masse e la gestione del peso aggiuntivo, occorre forse reinventare la ruota? Non necessariamente ma ci sarà sempre bisogno di una ruota migliore e, per ottenerla, occorre anche misurare sul campo sia il suo funzionamento quotidiano sia quello sperimentale.
Sensori e rilevatori: i pneumatici acquistano “la parola” e comunicano con le automobili e le infrastrutture
