Sviluppo di una portiera motorizzata per un autoveicolo

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

TESI DI LAUREA

Sviluppo di una portiera motorizzata

per un autoveicolo

Candidato:

Relatore:

Sandro Bertini

Prof. Ing. Francesco Frendo

Tutor aziendale:

Ing. Francesco Cumbo

Magna Closures S.p.A.

Il presente lavoro di tesi si occupa dello studio e dello sviluppo del progetto di un sistema innovativo nel campo dell’industria automotive: le cosiddette Power Doors, ovvero portiere laterali motorizzate per un autoveicolo. Il lavoro ha seguito i passi caratteristici dello sviluppo di un prodotto totalmente nuovo, a partire dalla definizione del sistema in oggetto, delle funzioni e delle specifiche che gli sono richieste e dei possibili fallimenti (Failure Mode and Effects Analys di sistema).

In una seconda fase è stato affrontato il problema della scelta del tipo, del numero e del posizionamento dei sensori per il rilevamento degli ostacoli esterni, affinché il sistema possa eseguire le funzioni di apertura e chiusura motorizzate in totale sicurezza per gli utenti e per il veicolo stesso.

Infine ci si è occupati della progettazione del sistema meccanico in grado di movimentare la porta, rispettando le specifiche richieste e i vincoli di ingombro e peso dovuti alla presenza degli altri sistemi all’interno della portiera. In particolare sono state sviluppate e approfondite tre soluzioni alternative, le quali sono state messe a confronto per determinare quale potesse essere la migliore, per poter essere ulteriormente sviluppata in vista di una possibile futura messa in produzione.

La tesi è stata svolta in collaborazione con la Magna Closures S.p.A. presso lo stabilimento di Guasticce (Collesalvetti, LI).

1 Introduzione al problema 6

2 Definizione del sistema 9

2.1 Boundary Diagram . . . 9 2.2 Parameter Diagram . . . 13 2.3 Funzioni . . . 16 2.4 Specifiche . . . 26 2.5 FMEA di sistema . . . 31 3 Sensori 34 3.1 Sensori di posizione e velocità . . . 34

3.2 Sensori di coppia . . . 34

3.3 Sensori di rilevamento ostacoli . . . 35

3.4 Sensori anti-pinch . . . 40

4 Progetto meccanico 43 4.0.1 Ingombri . . . 50

4.0.2 Analisi dei carichi . . . 50

4.1 Concept #1: Rack-Pinion . . . 55

4.1.1 Dimensionamento . . . 56

4.1.2 Punti di forza e criticità . . . 64

4.2 Concept #2: Window Lift . . . 65

4.2.1 Dimensionamento . . . 66

4.2.2 Punti di forza e criticità . . . 68

4.3 Concept #3: Spindle Screw . . . 70

4.3.1 Dimensionamento . . . 70

4.3.2 Punti di forza e criticità . . . 74

4.4 Confronto . . . 75

1.1 Tesla Model X . . . 7

2.1 Boundary Diagram . . . 10

2.2 Key fob della Tesla Model X . . . 11

2.3 P-Diagram . . . 14

2.4 Sensori di parcheggio sul bumper posteriore di un’automobile . . . 15

2.5 Lista funzioni (1) . . . 22

2.6 Lista funzioni (2) . . . 23

2.7 Lista funzioni (3) . . . 25

2.8 Vista dell’interno di una portiera con evidenziate possibili modalità di attuazione 26 2.9 Dettaglio di un Door Check . . . 27

2.10 Condizioni di inclinazione del veicolo . . . 27

2.11 Dimensioni di veicoli di varie categorie . . . 29

2.12 Sintesi degli elementi innovativi del sistema . . . 33

3.1 Raetech, Steering Torque Load Cell . . . 35

3.2 Campi di applicazione e area monitorata per i vari tipi di sensori del mondo automotive . . . 36

3.3 Google Car con lidar sul tettuccio in due diversi allestimenti . . . 38

3.4 Rappresentazione tridimensionale dello spazio da parte di un lidar . . . 38

3.5 Aree del veicolo individuate come possibili alloggiamenti dei sensori di rilevamento ostacoli (in celeste) . . . 41

3.6 Coni rappresentanti le porzioni di spazio di competenza dei sensori . . . 42

3.7 Coni relativi ai sensori sul pannello interno della portiera anteriore . . . 42

4.1 Vista di una portiera con evidenziati i punti notevoli . . . 43

4.2 Confronto tra sei diversi brevetti riguardo il dispositivo di accoppiamento nella Power Door . . . 45

4.3 Alberi decisionali con elencate le proprietà di ogni ramo per gli elementi freno e frizione . . . 46

4.4 Pro e contro delle cinque soluzioni analizzate . . . 48

4.5 Matrice di Pugh per le cinque soluzioni . . . 49

4.6 Vista della portiera presa a riferimento con componenti interni . . . 51

4.7 Dettagli dei limiti di spazio massimi per il sistema evidenziati con strisce bianco-rosse: (a) interno della lamiera, (b) finestrino e guida . . . 51

4.8 Carichi sul sistema dovuti all’inclinazione del veicolo . . . 52

4.9 Coppia alle cerniere in funzione dell’angolo di apertura nelle condizioni più critiche . . . 53

4.10 Meccanismo del concept Rack-Pinion, rappresentato nella configurazione di

porta chiusa . . . 55

4.11 Cerniere della porta e del Door Check . . . 56

4.12 Primo design della cremagliera, con asola per il riferimento dell’albero del pignone . . . 57

4.13 Specifiche del motore HF658ULG-103 (Johnson Electric) . . . 59

4.14 Curve caratteristiche del motore HF658ULG-103 (Johnson Electric) . . . . 60

4.15 Specifiche del freno VBEH (Ogura), riquadrato in rosso . . . 62

4.16 Disegno 3D del concept Rack-Pinion . . . 63

4.17 Dettagli dei limiti di spazio massimi per il sistema evidenziati con strisce bianco-rosse: (a) interno della lamiera, (b) finestrino e guida . . . 64

4.18 Meccanismo del concept Window Lift, rappresentato nella configurazione di porta chiusa . . . 65

4.19 Meccanismo di un alzacristalli motorizzato . . . 65

4.20 Vista dall’alto del meccanismo, con in evidenza il passaggio incrociato del filo 66 4.21 Disegno 3D del concept Window Lift . . . 68

4.22 Dettagli dei limiti di spazio massimi per il sistema evidenziati con strisce bianco-rosse: (a) interno della lamiera, (b) finestrino e guida . . . 69

4.23 Vista dal basso del concept Window Lift . . . 69

4.24 Meccanismo del concept Spindle Screw, rappresentato nella configurazione di porta chiusa . . . 70

4.25 Specifiche del freno AMB20 (Ogura), riquadrato in rosso . . . 72

4.26 Disegno 3D del concept Spindle Screw . . . 73

4.27 Dettagli dei limiti di spazio massimi per il sistema evidenziati con strisce bianco-rosse: (a) interno della lamiera, (b) finestrino e guida . . . 74

4.28 Lista dei pro e dei contro dei tre concept . . . 75

4.29 Matrice di Pugh per i tre concept . . . 76

4.30 Specifiche del motore PLS-G22 (Johnson Electric) . . . 77

2.1 Classificazione dei valori di pendenza stradale . . . 28

2.2 Classificazione dei valori di velocità del vento . . . 28

2.3 Specifiche del sistema . . . 30

3.1 Specifiche dei sensori lidar . . . 36

3.2 Specifiche dei sensori radar . . . 37

3.3 Specifiche dei sensori a ultrasuoni . . . 37

4.1 Dati delle porte prese a riferimento . . . 43

4.2 Valori delle coppie significative per il dimensionamento . . . 54

4.3 Dimensionamento del pignone . . . 57

4.4 Coppia di scorrimento minima richiesta per il freno nelle tre disposizioni B Brake, M Motor, P Planetary gear, S Spur gears . . . . 61

4.5 Coppia di scorrimento minima richiesta per il freno nelle quattro disposizioni BBrake, M Motor, P Planetary gear, S Spur gears . . . . 67

4.6 Coppia di scorrimento minima richiesta per il freno nelle due disposizioni B Brake, H Helical gear, M Motor, S Spur gears . . . . 71

Negli ultimi anni si è assistito a un rapido sviluppo nel mondo automotive di soluzioni che hanno reso la mobilità tramite autovettura sempre più sicura e confortevole. Gran parte di queste soluzioni hanno come scopo una assistenza del conducente durante la guida sotto molteplici aspetti, in modo da rendere gli autoveicoli dei sistemi sempre più autonomi. Ci si riferisce ai sistemi ausiliari per il parcheggio, a sistemi di guida assistita (quali l’Adaptive Cruise Control, sistemi di assistenza per il sorpasso, sistemi di monitoraggio del cambio di corsia, sistemi di sicurezza che si attivano prima del verificarsi di un impatto, et al.), sino ad arrivare a sistemi di guida parzialmente, e poi totalmente, autonoma, che sono già di attualità. Di questi sistemi fanno anche parte i cosiddetti Power Systems, ovvero sistemi motorizzati, con i quali si indicano tutti quei sistemi che svolgono tramite attuazione elettromeccanica delle funzioni che generalmente vengono svolte manualmente dagli utenti. Questi sistemi nell’ultimo periodo stanno trovando sempre più mercato e si stanno diffondendo su auto di diverse categorie. Si pensi ad esempio ai portelloni posteriori motorizzati, che molti marchi offrono come optional, e sono un comodo accessorio se l’utente ha le mani impegnate con borse, buste della spesa o altro. In questo campo, inoltre, si sta registrando anche un forte interesse da parte delle principali case automobilistiche per quelle che vengono denominate Power Doors, ovvero portiere ad apertura motorizzata. Questo interesse può essere letto come la volontà di fornire ai clienti, e soprattutto agli acquirenti di veicoli di alta gamma, una funzione premium che può essere molto utile in determinate situazioni (ad esempio in caso di pioggia, oppure anche in questo caso se si hanno le mani impegnate, oppure ancora per favorire le operazioni di ingresso e uscita di persone anziane o con mobilità ridotta), e che può avere anche un discreto appeal su clienti interessati a rimanere al passo delle soluzioni tecnologiche più all’avanguardia e di immagine.

C’è però anche un altro aspetto da tenere in considerazione, ovvero che nell’immediato futuro la mobilità su strada sarà probabilmente molto diversa da quella che conosciamo oggi; il lancio sul mercato di veicoli a guida totalmente autonoma (livelli 4 e 5 dello standard internazionale SAE J3016 [1]) è molto vicino, e una volta che questa nuova tecnologia sia adeguatamente diffusa e matura si potrebbe assistere a un radicale cambiamento nell’uso che facciamo dell’automobile. Anche il concetto di veicolo privato familiare potrebbe essere messo in discussione, in luogo di quello di un mezzo più funzionale, che senza pilota ad esempio faccia da navetta per un gruppo di colleghi che devono raggiungere lo stesso posto di lavoro, oppure passi a prendere dei bambini che frequentano una stessa scuola e ce li accompagni o li riaccompagni a casa. In questo modo si avrebbe anche la possibilità di sfruttare il veicolo durante tutto l’arco della giornata, rendendolo disponibile a più utilizzatori, anche nelle ore in cui rimarrebbe fermo e inutilizzato. In questa ottica può essere maggiormente compresa la possibile utilità delle Power Doors anche guardando al futuro, con delle auto autonome che aprano gli sportelli quando viene riconosciuto un passeggero in attesa, un po’ come avviene per i mezzi di trasporto pubblici.

Di pari passo all’obiettivo di realizzare una portiera motorizzata va la volontà di eliminare le maniglie, esterne e interne. Ciò offre degli evidenti vantaggi in termini di peso, ingombro ed estetica, ma si porta dietro una serie di problematiche nuove: in che modo dare il comando di apertura/chiusura? In che modo garantire la possibilità di movimentare in ogni caso la porta manualmente? Come scongiurare l’eventualità che in caso di fallimento del sistema di attuazione l’utente non riesca a entrare in macchina?

La forte richiesta da parte del mercato ha spinto Magna e i suoi principali competitor a impegnarsi nello sviluppo di sistemi di questo tipo, e il presente lavoro di tesi si occupa proprio di questo. A partire dall’idea di prodotto, saranno infatti definite le funzioni e le specifiche complete richieste al sistema, verranno affrontate tutte le criticità caratteristiche e si arriverà alla definizione di alcuni concept di sistema dei quali verranno analizzati vantaggi e svantaggi al fine di individuare la soluzione più promettente.

Per rimarcare il carattere innovativo del lavoro, si sottolinea che al momento del suo svolgimento un sistema di portiere motorizzate di tipo non scorrevole sia presente su un unico modello in produzione, la Tesla Model X (Fig. 1.1), con le sue specificità. In particolare tale vettura ha le porte posteriori del tipo falcon-wing. Questa soluzione, sicuramente di effetto, permette di evitare alcune criticità proprie di una portiera motorizzata, riducendo lo spazio necessario per l’apertura e la chiusura delle porte e non dovendosi curare degli ostacoli presenti in un’ampia porzione dello spazio attorno alla vettura; di contro è una soluzione cinematicamente più complessa, i carichi sono maggiori, sia per un’apertura motorizzata sia chiaramente per la classica apertura manuale, e attualmente è diffusa su un numero molto limitato di modelli, di fascia alta. In questo studio invece ci si occuperà di portiere di tipo convenzionale, dette talvolta swing doors, che sono sicuramente di maggior interesse per gran parte dei costruttori e dei loro clienti.

Figura 1.1: Tesla Model X

Infine, durante tutto il seguito si tenga presente che sistemi di questo tipo sono destinati, almeno inizialmente, a veicoli di alta gamma. Una volta che questa tecnologia sarà suffi-cientemente matura potrà poi essere estesa in modo graduale a modelli più economici. Per

dimensioni, bene si presta a ospitare al suo interno un sistema di attuazione, anche se il peso elevato impone un sistema di attuazione più potente.

Per definire un sistema totalmente nuovo il progettista è solito appoggiarsi su alcuni design tool che aiutino a visualizzare e a riassumere gli aspetti fondamentali del sistema in via di definizione. Tali diagrammi sono molto utili nelle fasi iniziali del progetto, ma chiaramente durante il lavoro sono in genere soggetti a modifiche per gli inevitabili accorgimenti e cambi di rotta che si rendono necessari man mano che ci si addentra nello studio. Quelle che sono presentate in questa relazione sono le versioni finali.

Per il presente lavoro ci si è serviti di due diversi tool, il Boundary Diagram e il

Para-meter Diagram, che rispettivamente definiscono gli elementi che costituiscono il sistema e

le relazioni che intercorrono tra loro, e il comportamento del sistema.

Tramite questi due diagrammi emergono già alcune delle funzioni che il sistema deve garantire e loro possibili fallimenti; questi aspetti, qua soltanto accennati, verranno trattati in dettaglio più avanti.

2.1

Boundary Diagram

Come anticipato, il Boundary Diagram serve a delimitare il confine fisico del sistema: soltanto gli elementi all’interno del boundary fanno parte del sistema, quelli all’esterno possono interfacciarvisi ma non ne fanno direttamente parte. Tramite questo diagramma si vanno anche a definire le relazioni tra elementi appartenenti al sistema, e tra elementi appartenenti al sistema e l’esterno. Le relazioni prese in esame sono di tre tipi: interfaccia fisica, scambio di dati e scambio di informazioni. La differenza tra scambio di dati e di informazioni è che lo scambio di informazioni avviene tra un sistema non elettronico che li emette e uno elettronico che li riceve, interpretandoli e rielaborandoli poi come dati, mentre lo scambio di dati avviene tra due sistemi elettronici.

Il Boundary Diagram del sistema è visibile in Fig. 2.1. Fanno parte del sistema la porta e tutti quegli elementi che concorrono alla sua movimentazione, che nel seguito andremo a definire. Nel diagramma sono evidenti tre snodi principali: la porta, la centralina della porta e l’utente (che non fa parte del sistema). Per quanto riguarda l’utente, le modalità con cui può movimentare la porta sono due: Manual Mode e Power Mode. La Manual Mode rappresenta la consueta modalità manuale di apertura/chiusura della porta, con la differenza che in questo sistema non avviene tramite maniglie, che non sono presenti né internamente né esternamente, ma tramite il contatto con la superficie stessa della porta da esterno, o con il bracciolo da interno. La Power Mode rappresenta invece l’elemento innovativo di questo lavoro. Sono pertanto tutti da definire il sistema di attuazione, il sistema di sensorizzazione, e l’interfaccia tra l’utente e la centralina della porta. Per dare il comando di apertura o chiusura è stata prevista una duplice modalità: direttamente dalla porta o in remoto. Per la prima sono stati previsti, in luogo delle maniglie, dei pulsanti integrati nello sportello, sia sul lato interno che su quello esterno; inoltre per il conducente è

Figura 2.2: Key fob della Tesla Model X

stata immaginata una pulsantiera sulla console (o alternativamente sul bracciolo della porta) da cui poter movimentare tutte le porte, così come avviene per il comando degli alzacristalli motorizzati. Il segnale da remoto invece può essere inviato tramite il telecomando (plip o key fob) che chiaramente deve essere più complesso rispetto ad un tradizionale telecomando per poter supportare più funzioni (a titolo di esempio viene riportato il key fob delle Tesla Model X, Figura 2.2, il quale è in grado di inviare segnali alle centraline di tutti i sistemi indicati in figura) oppure tramite altri dispositivi, tra i quali è sembrata particolarmente interessante per la praticità e per il possibile appeal sui clienti l’idea di un braccialetto. Questo braccialetto potrebbe essere utilizzato per implementare una funzione di comando gestuale, con appositi sensori per il riconoscimento del gesto oppure del movimento del braccialetto. La funzione potrebbe essere poi concretizzata in più modalità; ad esempio potrebbe essere abilitata soltanto per coloro che indossano il braccialetto, oppure per chiunque si trovi nel campo di azione dei sensori, se in tale area viene riconosciuta la presenza di un braccialetto (questa seconda possibilità richiama il passive entry, che funziona su alcuni veicoli per mezzo della vicinanza alla vettura della chiave oppure dello smartphone del proprietario).

Alla centralina della porta, oltre a tutti gli input provenienti dall’utente, arrivano anche i segnali da parte di una serie di sensori (riquadri blu in Fig. 2.1):

• Sensori di posizione e velocità angolare della porta • Sensori di coppia o di forza del sistema di attuazione • Sensori di coppia posti nella catena cinematica

• Sensori antipizzicamento, come avviene per i finestrini motorizzati, che in pratica possono consistere in una striscia anti-pinch in corrispondenza dei punti che vanno a contatto durante la chiusura (lungo tutto il contatto o alternativamente solo lungo la parte più vicina alle cerniere), disposta sull’interno della porta oppure sulla scocca della vettura, per evitare che durante la chiusura motorizzata possano rimanere schiacciate le mani dei passeggeri oppure eventuali oggetti che vadano a trovarsi in traiettoria. Questi sensori rappresentano l’extrema ratio prima dello schiacciamento, infatti per arrestare il motore in caso di contatto con un ostacolo vengono sfruttati anche i sensori di coppia.

• Sensori di rilevamento ostacoli, che siano in grado di identificare in tempo oggetti in prossimità della porta durante manovre manuali e motorizzate, e, durante le seconde, permettano di evitare impatti. Come è evidente, questa è una delle maggiori criticità per un sistema di questo tipo, che per poter essere immesso sul mercato deve essere considerato affidabile e sicuro nei confronti della presenza nelle immediatezze della vettura di ostacoli animati (pedoni, animali, altri veicoli) o inanimati. Condizioni atmosferiche particolari, alcuni esempi sono riportati nel diagramma, non devono condizionare le prestazioni dei sensori.

Del sistema fanno parte anche, ovviamente, il sistema di attuazione principale (con relativi sensori, come visto sopra), le serrature, considerate di tipo elettronico come la SmartLatch™, innovazione e fiore all’occhiello di Magna Closures S.p.A., e il Door Presenter. Quest’ultimo è un altro elemento innovativo; si tratta di un attuatore ausiliario che possa supplire agli eventuali fallimenti del sistema di attuazione principale. Si consideri ad esempio la situazione in cui si voglia entrare in macchina dall’esterno e l’attuatore della porta non funzioni (per un generico fallimento, oppure perché trova ad opporsi una coppia che non riesce a vincere, ad esempio la coppia dovuta al ghiaccio che di fatto "sigilla" la porta). Dato che sulla vettura non saranno presenti maniglie l’utente non ha la possibilità di aprire manualmente la porta. Ecco che qua interviene il Door Presenter, posto all’interno della porta all’estremità opposta rispetto alle cerniere, che per mezzo di una forza ragionevole esercitata sul montante possa provocare una coppia notevole rispetto alle cerniere, in grado di far aprire la porta di quel tanto che basti per permettere all’utente di terminare l’apertura manualmente. Questo dispositivo è in corso di sviluppo in Magna e non sarà oggetto diretto della tesi.

Infine, tra gli elementi che non fanno parte del sistema ma che comunque si interfacciano con la centralina della porta è da menzionare anche la Electronic Control Unit del veicolo e il relativo sistema di diagnostica.

2.2

Parameter Diagram

L’altro preliminary design tool utilizzato è il Parameter Diagram (o P-Diagram), mostrato in Figura 2.3. Questo strumento guarda al sistema nel suo complesso e permette di visualizzarne tutti gli input e gli output. Gli input sono costituiti dai segnali o comandi in ingresso, dai possibili disturbi e dai fattori di controllo. Gli output sono invece rappresentati dal comportamento ideale del sistema e dai possibili stati di errore.

Il sistema è costituito da tutti gli elementi analizzati nel Boundary Diagram, in preceden-za. I segnali in ingresso sono anch’essi stati visti nel diagramma precedente e rappresentano tutti gli input provenienti da soggetti o oggetti esterni al sistema. Si tratta quindi di segnali provenienti dai sensori per il rilevamento ostacoli e per l’anti-pinch, oppure comandi forniti dall’utente tramite contatto diretto o in remoto.

I fattori di disturbo vengono generalmente classificati in cinque gruppi:

• Variabilità da pezzo a pezzo, ovvero parti difettose e errori di assemblaggio

• Durata del sistema, che dipende dalla durata dei suoi componenti, che può essere influenzata dal loro danneggiamento; ad esempio una deformazione della carrozzeria potrebbe condizionare il corretto funzionamento dei sensori di rilevamento ostacoli • Utilizzo/ciclo di lavoro del sistema, infatti un uso scorretto del dispositivo (abuso

dei comandi di apertura/chiusura della porta, comandi simultanei, coppie eccessive applicate o tentativi di chiusura violenta) concorre a interferire sul corretto funziona-mento del sistema e ad accorciare la sua vita utile; anche fallimenti dovuti a eventi che durante il normale utilizzo del sistema è lecito prevedere possono impedirne il corretto funzionamento, come incidenti, incendi o immersioni in acqua

• Ambiente esterno, che per il nostro sistema si traduce in possibile interferenza sul funzionamento dei sensori di rilevamento ostacoli da parte degli agenti atmosferici (pioggia, neve, nebbia, luce abbagliante, oscurità, polvere, fango, fumo, temperatura, umidità) e dai carichi sulla porta dovuti al vento e alla pendenza stradale, che causa inclinazioni del veicolo rispetto all’asse di rollio e a quello di beccheggio

• Interazioni del sistema, che si traducono in interazioni con oggetti animati o inanimati e interferenze elettromagnetiche da parte di altri dispositivi del veicolo o di altri veicoli Tra i fattori di controllo per il corretto funzionamento di questo sistema devono essere considerati la potenzialità del sistema di attuazione e della centralina, l’implementazione e il progressivo miglioramento del software di controllo e la diagnostica; occorre tuttavia sottolineare anche un altro degli aspetti caratteristici del problema, ovvero la scelta del tipo, del numero e del posizionamento dei sensori di rilevamento ostacoli.

Il comportamento ideale del sistema consiste nell’apertura puramente automatica o manuale assistita delle portiere laterali del veicolo; l’apertura completa (≈60°) deve durare al più tre secondi, in tutte le condizioni (le condizioni limite per le quali il sistema deve garantire il funzionamento verranno definite più avanti). Il sistema deve essere in grado di rilevare ostacoli sulla traiettoria della porta e arrestare il movimento se necessario. Il

Figura 2.4: Sensori di parcheggio sul bumper posteriore di un’automobile

comportamento del sistema deve essere chiaro e prevedibile per l’utente e la movimentazione motorizzata deve essere il più possibile silenziosa. Per quanto riguarda l’estetica della vettura, la rimozione delle maniglie migliora sicuramente l’aspetto delle fiancate. I nuovi elementi introdotti non devono impattare sulla parte visibile della carrozzeria, in particolare i sensori di rilevamento ostacoli devono trovarsi non in vista (un aspetto esteriore come quello dei sensori di parcheggio sulla lamiera della porta, un esempio è mostrato in Figura 2.4, non sarebbe accettabile).

Appare chiaro, dunque, che le condizioni di fallimento che il sistema non deve assoluta-mente causare sono: impatti, con oggetti, veicoli o persone; situazioni di stallo, nelle quali il sistema viene a trovarsi senza che siano state previste in fase di progetto, che possono evolvere in indecidibilità per la logica del sistema, oppure in situazioni pericolose o non chiare per l’utente; schiacciamento delle mani di un passeggero durante le fasi di chiusura motorizzata.

2.3

Funzioni

Le funzioni principali richieste al sistema sono contenute nel seguente elenco. • Sblocco serratura di una porta

Questa funzione è abilitata da esterno tramite telecomando, da interno tramite i pul-santi presenti sui braccioli delle porte oppure sulla console del guidatore, a condizione che il veicolo sia fermo. Una volta che il veicolo è in moto (condizione che può essere caratterizzata dal superamento di una certa velocità, oppure dal passaggio in seconda marcia per un cambio manuale o in Drive Mode per uno automatico) le serrature delle porte vengono tutte bloccate. Dato che in condizioni di estrema emergenza potrebbe essere necessario sbloccare le serrature dall’interno anche con veicolo in corsa, ma altresì questo potrebbe costituire una fonte di pericolo se l’azione non è stata comandata volontariamente, la funzione di sblocco tramite pulsanti interni viene abilitata con vettura in moto, ma ha una durata limitata (ad esempio tre secondi) dopo la quale la serratura viene nuovamente bloccata.

• Sblocco serratura di tutte le porte

Per questa funzione è stata prevista una abilitazione soltanto da esterno tramite telecomando (come avviene già per la quasi totalità dei veicoli) oppure tramite il riconoscimento del braccialetto nelle vicinanze dell’auto.

• Movimentazione manuale della porta

– Apertura da posizione totalmente chiusa

– Apertura da posizione intermedia

– Chiusura da posizione totalmente aperta

– Chiusura da posizione intermedia

Questa funzione consiste nella classica modalità di apertura in uso su tutti i veicoli del mondo, e deve essere comunque sempre garantita anche se il sistema prevede l’utilizzo di porte motorizzate. Anzi, deve essere a maggior ragione assicurata in caso di fallimento dell’apertura automatica, ad esempio per mancanza di alimentazione elettrica. Lo sforzo richiesto per movimentare la porta non deve eccedere, o eccedere di molto, quello necessario con le porte tradizionali. In particolare ci si può immaginare che a partire da una posizione di arresto della porta, il sistema riconosca che l’utente sta esercitando una forza per muovere la porta (sensori di coppia sulle cerniere) e permetta che venga movimentata. Il sistema deve far sì che la porta sia mantenuta in posizioni di equilibrio stabile anche se il veicolo è in pendenza o se soffia vento (chiaramente le condizioni limite garantite devono essere definite nella specifica), pertanto quando l’utente cerca di muovere la porta sicuramente troverà una coppia resistente: se tale valore permette l’apertura/chiusura manuale senza eccessivi sforzi la coppia può rimanere costante durante tutto il movimento, altrimenti, una volta riconosciuta la volontà dell’utente, tramite qualche dispositivo elettromeccanico il valore di coppia resistente deve essere fatto scendere al di sotto di valori accettabili. Si

parla di riconoscere la volontarietà del gesto perché chiaramente l’intervento umano non deve essere equivocato con l’azione del vento o della gravità. Per quanto riguarda la gravità è sufficiente prevedere un valore di soglia grande abbastanza da coprire tutte le pendenze che un veicolo può incontrare in condizioni realistiche. Stesso discorso per il vento, per il quale potrebbe però essere scelto un meccanismo di filtro più raffinato. Tramite un controllore si potrebbe fare in modo, infatti, che la forza necessaria per mettere in moto a mano la porta sia crescente nel tempo, ad esempio con andamento a rampa, di modo che una persona senta l’aumento progressivo di resistenza e possa adeguare la forza necessaria istante per istante per un certo tempo, che permetta di essere certi che l’azione percepita è umana e volontaria; l’azione del vento, invece, qualsiasi sia il suo andamento, non può seguire questa dinamica prestabilita.

Riassumendo, l’utente esercita una forza sulla porta pari a quella di mantenimento, che un istante successivo viene aumentata di un epsilon cosicché anche quella dell’utente debba aumentare, e così via fin quando non si raggiunge un valore di soglia che permetta al sistema di stabilire con certezza che l’azione misurata non sia quella del vento; a quel punto il valore della resistenza può essere fatto morbidamente diminuire per facilitare il proseguo della manovra.

• Movimentazione motorizzata della porta

– Apertura da posizione totalmente chiusa

– Apertura da posizione intermedia

– Chiusura da posizione totalmente aperta

– Chiusura da posizione intermedia

Questa è la funzione più importante del sistema e il grande elemento di innovazione rispetto alle porte attualmente in uso. Si tratta dell’apertura o chiusura per mezzo di un attuatore della portiera del veicolo. E’ abilitata soltanto quando la vettura non è in moto, e può essere attivata tramite i dispositivi già introdotti: pulsanti sulle porte e sulla console, telecomando e braccialetto associato al comando gestuale. Qua ci si imbatte in una difficoltà: a partire da una posizione di arresto intermedio, come distinguere il comando di apertura da quello di chiusura? L’introduzione di due differenti pulsanti sul telecomando ma soprattutto sulla porta si porterebbe dietro maggiore complessità, maggiori ingombri e peso, un maggior numero di componenti (basti pensare al cablaggio) e probabilmente anche un peggioramento dell’estetica, quindi non viene presa in considerazione. Si è pensato quindi di usare un unico pulsante ma con logica diversa per apertura e chiusura, ad esempio doppio click per l’apertura e un click lungo per la chiusura, che sembra una scelta abbastanza intuitiva e che non lasci spazio ad ambiguità. Per proteggere il sistema, inoltre, la logica potrebbe essere tarata in modo che di due segnali consecutivi il secondo viene ignorato se troppo ravvicinato al primo. Per quanto riguarda il comando gestuale, non è difficile immaginare gesti distinti da associare all’apertura o alla chiusura della porta, ad esempio la rotazione dell’avambraccio verso di sé oppure verso l’esterno; inoltre

anche il blocco/sblocco della serratura potrebbe essere associato al gesto, ad esempio con una rotazione del polso in un verso oppure nell’altro.

Per quanto riguarda il tipo di moto compiuto dalla porta si è immaginato che il sistema possieda un profilo di velocità che deve seguire dalla partenza all’arresto; tramite un apposito controllore può essere minimizzata la norma di un opportuno segnale di errore. Il movimento, durante tutte le sue fasi (partenza e accelerazione, percorrenza, frenata e arresto), deve risultare il più possibile fluido e senza salti.

• Movimentazione assistita della porta

Si tratta di una funzione suggerita da un solo cliente, la cui importanza pare però non fondamentale. Consiste in un ibrido tra la movimentazione puramente manuale e quella puramente motorizzata, in cui lo sforzo dell’utente viene ridotto dall’intervento del motore. Ma al giudizio di chi scrive lo sforzo legato all’apertura o alla chiusura di una porta non pare tale da giustificare l’inserimento di questa ulteriore funzione. Inoltre l’attuazione pratica di questa funzione potrebbe essere di non facile gestione né per la logica del sistema né per l’utente. Infatti i confini tra questa funzione e la precedente sono labili e non molto netti, e questo potrebbe generare confusione nell’utente. Quindi in questa fase l’apertura assistita viene considerata nel ventaglio delle funzioni tenendo conto della sua relativa utilità, e la sua effettiva applicazione verrà trattata in sezioni successive.

• Chiusura motorizzata di tutte le porte

Questa funzione consiste nella chiusura motorizzata simultanea di tutte le porte del veicolo aperte. Precede temporalmente la funzione di bloccaggio di tutte le serrature (al punto seguente) ed è immaginata per facilitare e velocizzare le operazioni di chiusura del veicolo quando più utenti scendono insieme. Può essere ricondotta alla funzione di chiusura contemporanea di tutti i finestrini, che è presente su numerosi veicoli, e la modalità di comando potrebbe essere la stessa, ovvero tramite telecomando. Le due funzioni potrebbero essere dunque anche accorpate.

• Blocco serratura di tutte le porte

Come anticipato al primo punto, il bloccaggio di tutte le serrature avviene automa-ticamente quando l’unità di controllo della vettura riconosce la condizione di moto. Analogamente alla funzione di sblocco, questa funzione può essere attivata anche da esterno tramite una duplice modalità: segnale inviato da telecomando e allontanamen-to dell’utente, o degli utenti, con il braccialetallontanamen-to. Se con porte chiuse il veicolo non rileva nelle vicinanze nessun braccialetto per un opportuno tempo (ad esempio dieci secondi) tutte le serrature vengono bloccate.

• Rilevamento ostacoli durante l’apertura della porta

Si tratta di una funzione fondamentale per il sistema: senza un rilevamento degli ostacoli sicuro e affidabile non è possibile pensare a una diffusione delle Power Doors. Per mezzo di sensori di tipo opportuno, in numero e posizioni da determinare, devono poter essere rilevati tutti gli ostacoli che potrebbero essere colpiti dalla porta durante l’apertura motorizzata. Gli ostacoli per la quale la funzione deve essere costruita sono

sia quelli di tipo statico che quelli di tipo dinamico, più pericolosi. Come integra-zione di questa funintegra-zione, il movimento della porta potrebbe essere accompagnato da segnalazioni luminose o sonore, di modo che un pedone o il guidatore di un veicolo che sopraggiunge possano accorgersi con anticipo che lo spazio attorno a loro si sta modificando. Quando un ostacolo viene rilevato la porta si deve arrestare; se per effetto dell’inerzia la porta si accinge a fermarsi a una distanza insufficiente dall’oggetto il moto deve essere invertito prima di arrestarsi definitivamente. Questo movimento a ritroso non deve costituire pericolo per l’utente. Inoltre non si deve creare l’aspettativa sul cliente che questo dispositivo possa schivare tutti gli ostacoli che si avvicinano: una volta che il sistema è fermo non si deve mettere in moto per evitare un impatto, infatti in queste condizioni la responsabilità dell’urto è di chi proviene in movimento; il sistema deve evitare gli impatti soltanto quando è lui a muoversi. Le porte stesse, in base alla loro posizione, potrebbero essere uno schermo per i sensori oppure potrebbero essere una risorsa per aggiornare il campo di vista dei sensori in funzione della posizione corrente. Pertanto, in sede di progetto del sistema di sensori, si deve tener conto di tutte le possibili combinazioni con porte anteriori e posteriori aperte, chiuse o in movimento. Questa funzione, inoltre, potrebbe essere applicata anche all’apertura manuale, infatti potrebbe essere comodo per un passeggero che sta scendendo dalla vettura essere avvertito se con la porta sta andando a sbattere contro un altro corpo. L’avvertimento potrebbe arrivare anche qua con segnalazioni sonore o luminose, oppure con il progressivo aumento della forza resistente incontrata dall’utente, oppure ancora con la vibrazione del bracciolo interno, un po’ come avviene per i joystick delle console per videogiochi. Agenti atmosferici esterni come pioggia, neve, grandine non devono dare falsi allarmi, inoltre il funzionamento dei sensori non deve essere condizionato da possibile sporcizia, polvere, condizioni di oscurità o di luce diretta.

• Mantenimento posizione della porta

Come scritto nella parte relativa alla movimentazione manuale, alla porta deve essere fornita una coppia di mantenimento che le permetta di rimanere ferma in posizione per le pendenze e le velocità del vento definite nella specifica. La funzione di mantenimento deve essere assicurata quando il sistema è alimentato, mentre è desiderabile ma non strettamente necessaria in caso di mancanza di alimentazione, che si suppone essere una condizione di emergenza. Generalmente questa funzione è preceduta dalla frenatura e dall’arresto della porta: si potrebbe stabilire che la coppia di mantenimento è disponibile quando il sensore di velocità angolare rileva che si è scesi sotto un valore di soglia (ad esempio 0.05 rad/s).

• Anti-Pinch

Questa funzione si attiva automaticamente quando, durante le operazioni di chiusura automatica, i sensori di anti-pinch riconoscono un possibile schiacciamento in corso. La funzione si potrebbe declinare in due diverse modalità, a seconda della posizione angolare in cui si trova la porta in quell’istante, ovvero: semplice arresto se la porta si trova ancora distante dalla chiusura completa; arresto e arretramento della porta di qualche grado se invece è più vicina.

• Anti-Slam

Questa funzione ha lo scopo di fornire al sistema un modo per evitare che chiusure violente possano danneggiarlo. Si potrebbe immaginare che qualora i sensori di velocità rilevassero una velocità angolare eccessiva della porta in chiusura manuale un dispositivo di frenatura intervenga, e la chiusura sia poi terminata in una modalità detta Soft Close. Se l’azione frenante fosse tale da non permettere il raggiungimento della posizione di chiusura completa, il motore dovrebbe attivarsi e terminare il movimento. Questa funzione non ha ragion d’essere se il sistema di attuazione non può essere danneggiato da una chiusura troppo vigorosa, sappiamo infatti che i componenti che costituiscono una portiera classica non ne hanno a soffrire. Inoltre in talune circostanze potrebbe essere auspicabile avere un chiusura rapida anche se violenta, pertanto se di questa funzione venisse confermata la necessità nelle fasi successive del progetto si dovrebbe anche trovare un modo per discriminare le circostanze in cui debba o non debba intervenire.

• Door presenter

Come già visto nel paragrafo in cui sono stati definiti i componenti del sistema, il Door Presenter è un attuatore ausiliario che permette l’allontanamento della superficie interna della porta dalla scocca della vettura quando nessuna delle modalità di apertura della porta può avere successo. La funzione viene eseguita in automatico quando un certo numero di tentativi di apertura motorizzata non vanno a buon fine, vuoi per un guasto al motore, vuoi perché il motore stesso si trova a dover vincere un carico resistente per il quale non è stato progettato, ad esempio quello dovuto al ghiaccio formatosi all’esterno della vettura. L’attuatore deve essere in grado di esercitare una forza di qualche centinaio di Newton all’estremità della porta opposta rispetto alle cerniere e deve avere una corsa di poche decine di millimetri, sufficienti perché l’utente possa inserire la mano tra la porta e la vettura e completare manualmente l’apertura. Questo dispositivo è, per ragioni evidenti, fondamentale su un’automobile provvista di Power Doors, ma potrebbe essere integrato con profitto anche su un veicolo con portiere tradizionali. Nei casi in cui la vita dei passeggeri è in pericolo (incidente, incendio, immersione) la logica del sistema deve cambiare e prevedere un unico tentativo di comando di apertura fallito prima che il Door Presenter intervenga. Queste funzioni sono raccolte in forma più ampia e dettagliata nelle tabelle di Figura 2.5 e 2.6. Nelle tabelle per ogni funzione sono espresse le diverse modalità con le quali possono essere attuate (sotto forma dei diversi input possibili), a seconda della condizione, o delle condizioni, in cui il sistema si trova. Gli input sono stati divisi a seconda che provengano da un utente interno alla vettura (inside, abbreviato I/S) oppure esterno (outside, abbreviato O/S). Inoltre ognuna delle sottodivisioni interne alla stessa funzione principale è stata ascritta alla categoria di appartenenza (Normal use - Emergency - Safety) a seconda delle condizioni in cui tale modalità può essere attuata:

• Normal use →normali condizioni di funzionamento

• Emergency→ condizioni di funzionamento in cui è richiesto un tempestivo intervento della funzione, ad esempio per proteggere il sistema stesso, senza che gli utenti, o altre

persone, siano in pericolo; in queste condizioni la logica del sistema rimane la stessa che in condizioni normali

• Safety → condizioni in cui gli utenti sono in pericolo; la situazione di pericolo (incidente, incendio, parziale o totale immersione) viene riconosciuta del sistema e la logica dei comandi viene semplificata in modo da favorire la fuoriuscita dal veicolo da parte degli occupanti e il soccorso dall’esterno di persone potenzialmente non a conoscenza dei comandi per attivare le funzioni principali, in particolare quelle di apertura

Nella tabella di Figura 2.7 sono invece contenute altre funzioni che non rientrano nell’ambito del funzionamento attivo del sistema, ma sono comunque importanti per altri aspetti. In particolare oltre alle categorie viste in precedenza, queste funzioni ricadono anche nelle categorie: Comfort Process Conditions Mainteinance Recycling -Appearance.

• Comfort→riguardano il comfort e la fruibilità del sistema, e la sua integrabilità con i sistemi già presenti. Sotto questa categoria si trovano le voci:

– Limitare le emissioni elettromagnetiche in modalità Power

– Garantire che la movimentazione manuale sia comoda

– Garantire che la movimentazione automatica sia comoda

– Garantire che il sistema sia facile da interpretare e da usare

– Garantire che il sistema sia silenzioso

• Process→riguardano le fasi del processo produttivo del sistema:

– Garantire che il sistema sia facilmente maneggiabile per gli operatori di produzio-ne e assemblaggio

• Conditions →riguardano le condizioni di funzionamento del sistema:

– Garantire il funzionamento del sistema per la vita utile prevista (100 000 cicli di carico)

– Garantire il funzionamento del sistema nel range di temperatura -40÷+80 °C

– Garantire il funzionamento del sistema nel range di voltaggio 9÷16 V (voltaggio nominale della batteria dell’auto 12 V DC)

– Garantire il funzionamento del sistema in presenza di agenti esterni (acqua, ghiaccio, polveri)

• Maintenance →riguardano l’accessibilità delle parti per la manutenzione:

– Garantire l’accessibilità delle parti per la riparazione

– Garantire l’accessibilità delle parti per la sostituzione

– Garantire l’accessibilità delle parti per la diagnostica • Recycling→ riguardano i materiali utilizzati per il sistema:

– Utilizzare materiali presenti nella lista IMDS (International Material Data System, archivio dati globale dei materiali per l’industria dell’automobile)

– Poter gestire e smaltire eventuali sostanze tossiche presenti nelle batterie • Appearance →riguardano l’aspetto esteriore del sistema e dei suoi componenti:

Le altri funzioni in questa sezione sono: • Safety

– Impedire aperture/chiusure spontanee

– Impedire aperture/chiusure involontarie

– Impedire l’invio non intenzionale di comandi tramite i pulsanti interni ed esterni

– Comunicare all’utente guasti o fallimenti dei sensori

– Garantire che il sistema sia sicuro • Emergency

– Garantire che il sistema resista a coppie elevate rispetto alle cerniere della porta

– Garantire che il sistema resista a tentativi di chiusura violenta

– Garantire che il sistema resista all’abuso di comandi inviati

– Garantire che il sistema resista a comandi inviati simultaneamente, scongiurando situazioni di stallo

2.4

Specifiche

In questa sezione, a partire dalla lista delle funzioni, verranno definite le specifiche principali richieste al sistema. Per farlo occorre necessariamente entrare più nel dettaglio su come vogliamo che sia fatto fisicamente. In Figura 2.8 sono evidenziati i particolari che potrebbero essere coinvolti in tre possibili modalità di attuazione:

• la parte inferiore del pannello interno su cui potrebbe agire un attuatore lineare (spintore)

• le cerniere della porta • il Door Check

Figura 2.8: Vista dell’interno di una portiera con evidenziate possibili modalità di attuazione Quest’ultimo è quell’elemento presente nelle attuali porte grazie al quale sono fornite alcune posizioni di equilibro intermedie, in genere una o due, tra la posizione di porta completamente chiusa e completamente aperta. Nella configurazione più comune (Fig. 2.9) si tratta di uno stick metallico che è in parte contenuto nella porta. Una delle due estremità, che fuoriesce dalla porta tramite un’apertura, è incernierata al montante. Invece, internamente alla porta, degli elementi elastici tengono sempre in contatto dei rullini con le superfici laterali del Door Check, le quali, essendo opportunamente sagomate con creste e valli, permettono l’instaurarsi di posizioni di equilibrio.

Tra le tre possibilità si è scelto di approfondire quest’ultima, perché più promettente e apparentemente meglio integrabile nella struttura delle porte tradizionali. In particolare si è pensato di sostituire interamente la funzione del Door Check con una più elaborata: ottenere infinite posizioni di equilibrio tra le posizioni estreme di apertura della porta (Infinite

Figura 2.9: Dettaglio di un Door Check

Door Check). Questo rappresenta sicuramente una comodità per l’utente, ma risulta anche vantaggioso per il sistema di movimentazione, infatti si potrebbe eliminare la variabilità della forza resistente dovuta al profilo sagomato e anche far sì che, se il moto deve essere arrestato per la prossimità di un ostacolo, qualsiasi posizione sia di equilibrio.

Tali infinite posizioni devono essere di equilibrio anche per condizioni di pendenza della strada (grade) o di inclinazione del veicolo (roll), rappresentate in Figura 2.10.

(a) Roll angle (b) Grade angle

Figura 2.10: Condizioni di inclinazione del veicolo

Sono stati analizzati i dati caratteristici delle pendenze stradali (Tab. 2.1) e i valori tipici di altezza dei marciapiedi (15-20 cm), e tenendo conto anche delle specifiche richieste da alcuni clienti è stato fissato come limite per cui il mantenimento in posizione debba essere garantito il valore di 25% di pendenza, corrispondente a circa 14°, sia per il roll che per il grade angle. Si tratta di un valore molto elevato (come si può apprezzare nelle due figure, per entrambe le quali la pendenza è proprio di 14°) ma che permette di coprire tutte le situazioni più probabili in cui il veicolo si può venire a trovare.

Pendenza (%) Pendenza (°)

Comune 10 6

Elevata 20 11

Massima 37 20

Tabella 2.1: Classificazione dei valori di pendenza stradale

Inoltre va considerata anche la resistenza rispetto al contributo del vento. Nella Tabella 2.2 sono contenuti alcuni valori di velocità con i quali sono classificati i venti. Per questo studio è stato considerato come valore limite 30 km/h, che chiaramente non può coprire la totalità delle situazioni di esposizione al vento, ma può essere considerato un valore che viene superato molto raramente, anche in aree molto ventose.

Velocità (km/h) Forte brezza 30

Forte vento 60

Burrasca 80

Tabella 2.2: Classificazione dei valori di velocità del vento

Per il calcolo delle forze provocate dalla pendenza e dal vento sono state utilizzate dimensioni e pesi caratteristici per diverse classi di veicoli (utilitaria, station wagon, berlina e SUV, visibili in Fig. 2.11), ma per il dimensionamento del sistema, come già chiarito nell’introduzione, verranno presi a riferimento i dati di un SUV di uno dei principali brand premium europei.

Il valore di riferimento scelto per la durata della completa apertura motorizzata in condizioni normali è di circa 2 secondi. Infatti è un buon compromesso tra velocità della porta troppo elevata, che potrebbe costituire un pericolo, e tempo di attesa dell’utente troppo elevato rispetto a quello della movimentazione manuale. Tuttavia in condizioni più sfavorevoli può essere considerato accettabile che il sistema impieghi un po’ di più; in particolare per valori massimi di pendenza e velocità del vento, e minimi della tensione di alimentazione del motore (ad esempio 9 V), 4 secondi può essere considerato un target ragionevole.

Lo sforzo richiesto all’utente per movimentare la porta non deve essere molto superiore a quello necessario con le porte montate attualmente. Per determinare un valore opportuno da inserire come riferimento in specifica sono state eseguite delle prove su veicoli di categoria e marchi diversi, in cui, tramite un dinamometro, è stata misurata la forza necessaria per far muovere la porta da una posizione di equilibrio (che corrisponde alla forza massima di trattenimento che il Door Check può esercitare). Sono stati ottenuti valori molto diversi, anche all’interno della stessa vettura tra porte anteriori e posteriori, nell’intervallo 20÷50 N, applicando tale forza all’estremità opposta della porta rispetto alle cerniere (distanza circa uguale in tutti i veicoli e pari a 1 m): quindi è stato considerato come valore di riferimento 50 Nm.

A conclusione di questa parte sulla forza di mantenimento del Door Check, è doveroso precisare che le specifiche imposte per il sistema che stiamo definendo sono molto gravose, e

(a) Utilitaria

(b) Station Wagon

(c) Berlina

(d) SUV

probabilmente non verrebbero rispettate da gran parte dei veicoli attualmente in circolazione. Da un sistema nuovo ci si aspettano prestazioni migliori rispetto a quelle del sistema origi-nale, ma se queste sono da tempo diffuse e accettate dagli utenti significa che comunemente non si sente l’esigenza di averne di migliori, e che situazioni in cui risultano insufficienti sono rare. Quindi, se risultasse troppo complesso far possedere al nuovo sistema queste prestazioni, anche allinearsi ai valori di specifica dei Door Check attuali potrebbe essere accettabile.

La lista completa delle specifiche del sistema, comprendente quelle discusse più una serie di altre, è riportata di seguito. Un aspetto fondamentale che vale la pena ribadire è che in ogni circostanza deve essere possibile aprire la porta, automaticamente o manualmente, in caso di un fallimento del sistema di attuazione, e soprattutto in condizioni di emergenza, come in seguito a un incidente, dall’interno e dall’esterno.

 Situazione estrema per l’inclinazione in salita/discesa: 25% →max grade angle: 14°

 Situazione estrema per l’inclinazione laterale: 25% →max roll angle: 14°

 La porta deve poter essere movimentata in condizioni normali manualmente o automaticamente indifferentemente

 Con interruzione dell’alimentazione la porta deve comunque poter essere movimentata

 Peso nominale dell’azionamento della porta: 600 g

 Agenti ambientali (liquidi, polvere, sabbia, oli) non devono incidere sulla funzionalità e sulla durata

 Il meccanismo di azionamento deve basarsi sul Door Check, con stessi punti di fissaggio in uso oggi

 La porta deve possedere infinite posizioni di equilibrio

 Tutti i componenti interni al sistema devono avere una distanza minima di 10 mm da parti mobili e di 5 mm da parti fisse

 Il sistema deve essere provvisto di un meccanismo di arresto meccanico

Tempo di apertura e chiusura in modalità Power nelle condizioni più sfavorevoli (pendenza, vento, calo di tensione) non superiore a 4 s

 Rapidi movimenti in apertura e in chiusura non devono danneggiare il sistema

 Frenata della porta in chiusura, in modo che la porta si impegni ancora nella pre-cattura dello scontrino (Soft Close)

 La rapida chiusura della porta in situazioni di emergenza deve essere possibile

 Tutte le fasi della movimentazione della porta (messa in moto, frenatura) devono essere fluide e senza salti

 Vita prevista: 300 000 km, 100 000 cicli di carico

 Classe di protezione del dispositivo IP-671

 La movimentazione manuale della porta non deve essere più gravosa di quanto sia attualmente (<50 N)

 L’apertura di emergenza con azionamento in stallo può danneggiare altri componenti, ma non l’unità stessa

 Deve essere possibile aprire la porta dopo un incidente

dall’intru-2.5

FMEA di sistema

La FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) è uno strumento che in fase di progetto permette di individuare i possibili fallimenti, con le loro cause ed effetti, dell’oggetto che si sta definendo. Questa attività richiede lo sforzo concettuale di immaginarsi i fallimenti in una fase del progetto in cui l’oggetto non ha ancora visto la luce, ma se viene svolta bene in questa fase è più facile porre rimedio a eventuali criticità. Chiaramente man mano che il lavoro va aventi la lista dei possibili fallimenti potrebbe aggiornarsi o cambiare, ma si deve cercare di avere una visione completa già in questa fase. La FMEA può essere relativa a un prodotto, a un processo o a un sistema. Nel nostro caso è relativa al sistema in definizione, ovvero ha lo scopo di individuare i possibili fallimenti delle funzioni richieste, e del funzionamento del sistema nel suo complesso, senza che gli elementi che lo costituiscono siano stati completamente definiti. Non deve scendere al livello dei fallimenti dei singoli componenti: per questo scopo dovranno poi essere svolte delle FMEA di prodotto, una per ogni elemento.

A partire dalla lista completa delle funzioni, sono stati immaginati vari possibili modi di fallimento per ognuna di esse. Per ogni modo di fallimento sono state individuate le diverse possibili cause e gli effetti indesiderati rispetto al funzionamento ideale. Si è poi cercato di determinare azioni correttive in sede di progetto oppure verifiche tramite test o simulazioni in modo da eliminare o rendere accettabili gli effetti del fallimento. In una fase successiva è poi possibile assegnare a ogni fallimento un punteggio da 1 a 10 per quanto riguarda le voci:

- PO (Probability of Occurency), la probabilità che il fallimento si verifichi - S (Severity), la gravità del fallimento

- PD (Probability of Detection), la probabilità che il fallimento venga rilevato

Il prodotto tra questi tre numeri fornisce l’RPN (Risk Priority Number), ovvero l’indice di priorità del rischio, che dà un’idea di quanto sia critico ogni singolo fallimento. Se tale valore supera una certa soglia (ad esempio 125) diventa necessario intervenire con azioni correttive, al termine delle quali il punteggio deve essere ricalcolato per valutare se la situazione è migliorata sufficientemente.

Nel presente lavoro questa parte di attività non è stata completamente svolta perché richiede che il progetto si trovi a un stadio più avanzato, in cui le modalità con le quali tutte le funzioni vengono realizzate siano interamente definite. La FMEA è servita per valutare se il sistema potesse presentare delle criticità alle quali non si era ancora pensato a livello di interfacce e di funzioni, e se, eventualmente, fosse necessario generarne di nuove. In particolare si è prestato attenzione alla possibilità che alcune funzioni potessero essere equivocate, oppure che i rispettivi segnali di input potessero essere involontari, e che il sistema nel complesso avesse una coerenza logica completa. Alcuni degli elementi ricavati in questa analisi sono stati già trattati nella parte relativa alle funzioni; tra gli aspetti diversi rispetto a quelli già analizzati ci sono la possibilità di errori nella ricezione,

sione di particelle solide o liquide. IP-67 significa protezione completa dall’accesso della polvere (protezione solidi: 6) e dall’immersione temporanea in acqua (protezione liquidi: 7).

nell’interpretazione e nell’invio dei segnali, fallimenti a vari livelli del sistema di attuazione e errori nella tempistica e nella durata delle varie operazioni.

La FMEA è stata elaborata su un foglio elettronico che non si presta a essere riportato per intero in questa relazione. Invece viene di seguito riportato, a conclusione di questa prima parte di lavoro di definizione del sistema, un documento in cui sono stati riassunti tutti gli elementi di novità di questo sistema rispetto alle porte tradizionali, raggruppandoli in:

• Nuove interfacce • Nuove funzioni • Nuovi sistemi • Nuovi scenari

Il risultato è visibile nella tabella di Fig. 2.12. Nel compilare questo documento, a ogni voce sono state associate alcune note, per stilare le quali si è attinto a tutti gli spunti ricavati dagli strumenti utilizzati fino a questo punto (Boundary Diagram, P-Diagram, lista delle funzioni, FMEA).

Tra gli aspetti più interessanti sui quali fin’ora non ci si era soffermati c’è il feeling dell’utente rispetto alla modalità manuale. L’utente è abituato a sentire una forza non costante quando sta aprendo o chiudendo la porta, dovuta agli "scatti" nelle posizioni di equilibrio del Door Check. Questo andamento probabilmente è meno gradevole rispetto a una forza resistente costante, ma permette di avere la sensazione fisica, tattile, di quando la porta trova una posizione di equilibrio. Si immagini di dover aprire lo sportello dall’interno con il veicolo inclinato lateralmente: con le porte tradizionali l’utente apre fino a quando non sente di aver raggiunto una posizione di equilibrio, che sa che la porta può mantenere, quindi lascia la maniglia ed esce; in una Power Door invece la sensazione di aver raggiunto una posizione di equilibrio non verrà mai raggiunta perché il Door Check funziona in modo diverso (coppia resistente circa costante appunto), ma la funzione di mantenimento è comunque disponibile, e viene attivata quando la velocità rilevata scende sotto un certo valore vicino a zero. Per mettere a punto il sistema in termini di comfort è opportuno dunque capire tramite dei collaudi se questo comportamento, che va contro il senso comune, può essere recepito con naturalezza da parte dell’utente, oppure è necessario modificare qualche aspetto della funzione per renderla più intuitiva.

Per quanto riguarda invece la modalità di movimentazione assistita, uno spunto sul come realizzarla è stato ricavato dal servosterzo delle auto, anche se, come detto, dato il basso sforzo necessario per aprire o chiudere una portiera non sembra essere una funzione fondamentale.

In questa sezione vengono affrontati gli aspetti legati a tutti i diversi sensori necessari al funzionamento del sistema. Si tratta dei sensori per rilevare posizione e velocità angolare della porta, dei sensori di coppia del sistema di attuazione, dei sensori per il rilevamento ostacoli durante l’apertura e di quelli anti-pinch per la chiusura.

3.1

Sensori di posizione e velocità

Per avere, istante per istante, i dati di posizione e velocità della porta è necessario un trasduttore di posizione angolare (rotary encoder) di tipo assoluto. Tale dispositivo potrà essere integrato direttamente al motore se il meccanismo non prevede la presenza di una clutch e quindi la possibilità del disaccoppiamento del motore. Infatti in caso di disinnesto della frizione, ad esempio in caso di movimentazione manuale, non si avrebbe a disposizione per la porta il dato di posizione e delle sue derivate temporali. Se il sistema quindi prevedesse una clutch, il trasduttore dovrebbe trovarsi a valle di questa, in modo da misurare la rotazione della parte di sistema che è sempre in trasmissione.

Chiaramente l’encoder misura la rotazione dell’albero su cui motore o clutch sono montati, poi il controllore, noti i rapporti di trasmissione del sistema, può ricostruire i valori di interesse, ovvero quelli riferiti alla porta.

3.2

Sensori di coppia

Per realizzare alcune delle funzioni del sistema che sono state descritte (movimentazione assistita, rimozione della coppia di mantenimento e altre) è necessario un dispositivo che misuri la coppia esercitata dall’esterno sul sistema (ovvero la coppia esercitata sulla porta rispetto alle cerniere) e la coppia del motore. Il componente necessario a questo scopo è un trasduttore di coppia, o torsiometro, che deve essere posizionato anch’esso nella parte del sistema che rimane sempre in trasmissione, ovvero a valle di una eventuale clutch, se presente.

In caso di modalità di movimentazione manuale il torsiometro misura la coppia esercitata dall’utente e trasmette i dati al controllore che provvede a far aumentare la coppia di mantenimento secondo un profilo a rampa, che deve essere seguito dall’utente, per verificare che il valore misurato corrisponda a un’azione volontaria umana e non ad azioni dovute all’ambiente esterno (vento, gravità). Una volta appurato che di azione umana si tratta, il blocco può essere rimosso e la porta può venire aperta o chiusa manualmente.

In caso di modalità power o assistita, invece, il dispositivo misura la differenza tra la coppia esercitata dal motore e quella proveniente dall’esterno. Conoscendo tramite l’encoder la velocità di rotazione del motore e avendo nota la curva di funzionamento dello stesso, il

controllore può ricostruire, con un minimo di incertezza dovuto alla dispersione della curva, ciò che effettivamente il torsiometro sta misurando, separando i due contributi.

Un tipo di trasduttore di coppia che trova già applicazioni automotive e potrebbe bene essere adattato anche a questo scopo è quello presente nel meccanismo di servosterzo, che di fatto permette una manovra assistita, in analogia a questo sistema. In figura 3.1 ne viene mostrato uno, prodotto da Raetech.

Figura 3.1: Raetech, Steering Torque Load Cell

3.3

Sensori di rilevamento ostacoli

Il rilevamento ostacoli è una degli aspetti più critici di questo sistema. Durante il suo funzionamento non devono verificarsi impatti con gli oggetti che si trovano nelle vicinanze del veicolo e non deve costituire un pericolo per altri veicoli in transito o per i pedoni. Quindi i corpi che si trovano in traiettoria durante l’apertura devono essere rilevati con sufficiente anticipo, in modo da avere il tempo di arrestare il moto della porta se diventano troppo vicini. Se la distanza scende sotto una certa soglia nel momento dell’arresto, può essere prevista l’inversione del moto di un opportuno angolo (5° ad esempio) in modo da avere una opportuna separazione tra le due superfici.

Questa funzione non deve essere condizionata dalle condizioni atmosferiche, non deve soffrire della presenza di eventuale sporco sui sensori e una modesta deformazione della superficie sulla quale sono montati non deve modificare eccessivamente quella che è l’area monitorata. Inoltre per far sì che l’utilizzo della modalità power sia confortevole devono essere ridotti al massimo i falsi allarmi dovuti a corpi erroneamente valutati come ostacoli (gocce di pioggia, grandine, neve, foglie).

Negli attuali veicoli si trovano già una grande quantità di sensori (i principali tipi di sensori con loro applicazioni e area monitorata sono riportati in Fig. 3.2) ma l’area di interesse per questo sistema al momento non è adeguatamente coperta, quindi si rende necessario introdurne di nuovi, dei quali deve essere stabilito il tipo, e il numero e il posizionamento.

Figura 3.2: Campi di applicazione e area monitorata per i vari tipi di sensori del mondo automotive

Una applicazione simile a quella di nostro interesse è già presente su molti veicoli: si tratta dei sensori di parcheggio posizionati sul bumper posteriore, come visto già in Figura 2.4, e talvolta anche su quello anteriore. Questi sensori sono del tipo a ultrasuoni, la tecnologia più adatta per rilevare ostacoli a corto raggio. Inoltre sono immuni ai "falsi ostacoli", ma sono comunque in grado di rilevare veri ostacoli pur di ridotte dimensioni, come ad esempio le reti di recinzione.

Tra le altre tipologie di sensori, è stata subito esclusa la possibilità di usare telecamere, perché non danno sufficienti garanzie in condizioni di oscurità; invece sono state analizzate le caratteristiche dei sensori di tipo lidar (LIght Detection And Ranging) e radar (RAdio Detection And Ranging), che si differenziano per usare impulsi laser i primi, e onde radio i secondi. Le specifiche di questi due tipi di sensori e degli ultrasuoni utilizzati in applicazioni automotive sono state raccolte nelle seguenti tabelle (3.1, 3.2 e 3.3). Il mondo dei sensori comunque è molto vario e in costante evoluzione, pertanto dispositivi con performance diverse o migliori di queste saranno presto disponibili.

Lidar

Rotating

Non-Rotating

Distance range (m) 0.2-10 1-250 0.2-10 1-200

Distance resolution (mm) 1 100 1 100

Distance accuracy (mm) 1 10 1 10

Horizontal field of view (°) 360 360 120 100

Vertical field of view (°) 50 30 120 60

Angular resolution (°) 1 0.1 1 0.1

Radar

Frequency band (GHz) 77-81 77-81 76-77

Bandwidth (GHz) 4 0.6 0.6

Distance range [min-max] (m) 0.15-30 1-100 10-250

Distance resolution (m) 0.1 0.5 0.5 Distance accuracy (m) 0.02 0.1 0.1 Velocity resolution (m/s) 0.6 0.6 0.6 Velocity accuracy (m/s) 0.1 0.1 0.1 Angular accuracy (°) 1 0.5 0.1 3 dB beamwidth (°) 160 80 30

Tabella 3.2: Specifiche dei sensori radar

Ultrasonic

Frequency (kHz) 40 40

Distance range [min-max] (m) 0.02-4 0.2-5 Distance resolution (mm) 0.5 1

Directivity (°) 15 90

Temperature range (°C) -30÷+80 -30÷+80

Temperature compensation  

Tabella 3.3: Specifiche dei sensori a ultrasuoni

Di particolare interesse sono i lidar, da molti (non da Elon Musk, CEO di Tesla) considerati imprescindibili per lo sviluppo dei veicoli a guida autonoma. I lidar, infatti, sono in grado di ricostruire lo spazio tridimensionale che circonda la vettura fino a grandi distanze (centinaia di metri) e di distinguere la tipologia dei vari oggetti che vengono rilevati. Nelle foto di Figura 3.3 sono visibili due prototipi di veicolo autonomo realizzati da Google che montano un lidar sul tettuccio, mentre in Figura 3.4 è rappresentata la ricostruzione tridimensionale dello spazio attorno alla vettura a opera di un lidar montato proprio sul tettuccio. Tale posizione è ideale per avere un’area coperta più ampia possibile (sia che il lidar sia di tipo rotativo che di tipo fisso), ma presenta anche una serie di svantaggi. Da un punto di vista estetico infatti un veicolo del genere non potrebbe trovare mai spazio nel mercato fintanto che il lidar è così grande e evidente sulla vettura. In secondo luogo, proprio per via di dove è posizionato, non può coprire l’area immediatamente attorno al veicolo, che rimane cieca. Infine, ma non di secondaria importanza, i prezzi attuali dei lidar per queste applicazioni sono del tutto proibitivi (decine di migliaia di euro) per poter essere diffusi anche su veicoli di fascia medio-alta; gran parte dei produttori però stanno lavorando per rendere i prezzi più accessibili e tra non molto dovrebbero essere già disponibili esemplari nell’ordine delle centinaia di euro, rendendone possibile il montaggio anche di più di uno sulla stessa autovettura. Quindi fino a quando la tecnologia dei sensori lidar per le automobili non sarà sufficientemente matura, in termini di costo e impatto estetico, sarà difficile vederli anche sui veicoli più all’avanguardia. Se però queste problematiche principali fossero risolte,

sarebbe la soluzione ideale anche per il rilevamento ostacoli per le Power Doors, dato che si avrebbe una scansione estremamente precisa di tutto lo spazio circostante la vettura, e quindi a maggior ragione anche quello adiacente alle fiancate laterali.

Figura 3.3: Google Car con lidar sul tettuccio in due diversi allestimenti

Figura 3.4: Rappresentazione tridimensionale dello spazio da parte di un lidar Per il momento quindi questa tecnologia non può essere considerata per il nostro scopo. La migliore soluzione è quindi quella dei sensori a ultrasuoni. Si tratta di sensori già ampiamente studiati e calibrati per la funzione di Parking Assist, sono insensibili alle condizioni atmosferiche sfavorevoli (anche agli effetti termici), molto precisi e affidabili e dal prezzo più che accessibile. Inoltre hanno anche il vantaggio di avere una zona cieca estremamente contenuta, quindi possono essere considerati affidabili anche per ostacoli molto vicini.

Si tratta quindi di individuare le parti del veicolo in cui potrebbero essere alloggiati tenendo conto dei criteri:

• coprire l’area in prossimità delle porte nella direzione del moto durante l’apertura, tenendo conto delle interazioni tra quella anteriore e quella posteriore sullo stesso lato,