Analisi del posizionamento motore negli autoveicoli con disposizione longitudinale e valutazione della configurazione a motore anteriore centrale

P

OLITECNICO DI

M

ILANO

Facoltà di Ingegneria

Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Analisi del posizionamento motore negli

autoveicoli con disposizione longitudinale

e valutazione della configurazione a

motore anteriore centrale

Candidato: Enzo Ceroni Matricola: 712174 Relatore: Prof. Massimiliano Gobbi

RINGRAZIAMENTI

Arrivato finalmente a questo grande traguardo un primo pensiero va a mio nonno che mi ha sempre sostenuto e che si è laureato al Politecnico di Milano nel 1955 in ingegneria industriale. Ricordo distintamente nelle lunghe serate, o per meglio dire nottate, in cui sviluppavo e scrivevo la tesi di pensare a lui e alle parole che mi ripeteva per incitarmi. “Chi molla è perduto!” è stato di enorme aiuto.

Un enorme ringraziamento va al Professor Gobbi che mi assistito in questo lungo percorso nato tantissimi anni fa durante le sue lezioni in cui disegnai le varie configurazioni meccaniche delle varie auto presenti sul mercato. Ricordo le mille domande postegli all’inizio della lezione, in pausa e alla fine sul perché quel veicolo avesse quello schema tecnico piuttosto che un altro non avesse il motore in posizione anteriore-centrale. Sebbene questa idea sul posizionamento del motore completamente dietro l’asse delle ruote anteriori sia rimasta sepolta a lungo e l’abbia raccontata nel mio sito www.gruppohainz.it sin dal 2008 è riaffiorata e finalmente nero su bianco con tanto di numeri a supportare tale idea.

Devo ringraziare mio padre che mi ha aiutato enormemente soprattutto con i rilievi fatti sul campo e a distanza, dato il Coronavirus, sulla Bmw 320d Touring di famiglia presa a riferimento della tesi.

Vorrei ringraziare la mia ragazza che mi ha sostenuto nella lunga “carriera” universitaria, i miei fratelli e al mio amico Fede che mi hanno supportato e sopportato nella scrittura di questo elaborato.

Ultimo, ma non meno importante, un ringraziamento al mio amico, l’Ing. Gianpaolo Dallara, che mi ha spronato e aiutato a portare avanti la mia idea.

ABSTRACT

Questa tesi vuole porre in evidenza la criticità del posizionamento del motore e del cambio sulle automobili, il cosiddetto powertrain, e descrivere gli sforzi evolutivi compiuti dalle case costruttrici per ottenere baricentro basso, bassi momenti di inerzia in rollio, imbardata e beccheggio.

Gli sforzi fatti dalle Case Costruttrici sono dovuti sia a benefici intriseci ben avvertiti dall’utilizzatore finale, oltre ad una sicurezza di marcia superiore e ad un confort superiore. Una migliore dinamica di marcia garantisce ridotti trasferimenti di carico che nessun sistema elettronico attivo riesce a compensare.

Esaminando le automobili con disposizione longitudinale offerte delle maggiori Case costruttrici appare evidente l’obiettivo di posizionare il motore il più indietro e il più basso possibile, per avere una ripartizione dei pesi il più omogenea possibile tra l’asse anteriore e posteriore in modo da massimizzare la dinamica sia laterale che longitudinale.

La necessità commerciale di dover offrire varianti di auto dotate di trazione integrale, all’utilizzo di motori 4 e 6 cilindri per lo più in linea, il necessario posizionamento tecnico dell’asse della sterzatura assistita nell’intorno del centro ruota, l’utilizzo di cambi automatici a 7-8-9-10 marce atti a diminuire i consumi, hanno imposto il posizionamento del motore sopra l’asse delle ruote anteriori. Questa tesi si propone di dimostrare che, fermo restando le motorizzazioni a 4 cilindri in linea, il ricorso a motori a 6 e 8 cilindri a V permette di posizionarlo completamente dietro l’asse (virtuale) delle ruote anteriori. In questo modo, inoltre, si eliminano i vincoli di posizionamento in verticale causati da trazione integrale ed asse dello sterzo, permettendo un posizionamento sensibilmente più in basso (fino al vincolo della massima distanza dal suolo) con consistenti vantaggi nella posizione del baricentro, riduzione dei trasferimenti di carico, riduzione dei momenti di inerzia polari, rollio e beccheggio.

ASTRACT

This thesis wants to highlight the criticality of the positioning of the engine and gearbox on cars, the so-called powertrain, and describe the evolutionary efforts made by manufacturers to achieve low center of gravity, low moment of inertia in roll, yaw and pitch.

The efforts made by the manufacturers are due both to intrinsic benefits well perceived by the end user, as well as superior ride, safety and comfort. Improved driving dynamics ensure reduced load transfers that no active electronic system can compensate.

Examining the cars with longitudinal layout offered by the major manufacturers, the objective of positioning the engine as far back and as low as possible is evident, in order to have the most even weight distribution possible between the front and rear axles, so as to maximize both lateral and longitudinal dynamics.

The commercial necessity to offer variants of cars equipped with four-wheel drive, the use of 4 and 6-cylinder engines (mostly in-line), the necessary technical positioning of the assisted steering axle around the wheel center, the use of automatic transmissions with 7-8-9-10 gears to reduce consumption have imposed the positioning of the engine above the front wheel axle.

This thesis is intended to demonstrate that, without prejudice to in-line 4-cylinder engines, the use of 6- and 8-cylinder V engines allows the engine to be positioned completely behind the (virtual) front wheel axle. This also eliminates the vertical positioning constraints caused by all-wheel drive and steering axle, allowing significantly lower positioning (up to the constraint of maximum ground clearance) with significant advantages in center of gravity position, reduced load transfers, reduced moments of inertia, roll and pitch.

INDICE

1.4. CAMBI MANUALI E AUTOMATICI ... 7

1.5. LA DIFFUSIONE DEI SUV ... 7

1.6. LA COMPLESSITA’ POWERTRAIN... 8

1.6.1. MASERATI GRANTURISMO ... 8

1.6.2. NISSAN GT-R ... 10

1.6.3. SESTA GENERAZIONE DELLA BMW SERIE 3 ... 14

2. BENCHMARKING ... 17

2.1. BMW ... 17

2.2. MERCEDES ... 28

2.3. JAGUAR e LAND ROVER... 37

2.4. MASERATI ... 44 2.5. AUDI ... 45 2.6. SUBARU... 53 2.7. PORSCHE ... 60 2.8. FERRARI ... 65 2.9. CADILLAC... 70

2.10. FORD ... 76

2.11. LEXUS ... 79

2.12. GRUPPO HYUNDAI: KIA e GENESIS ... 86

2.13. TVR ... 88

2.14. DALLARA ... 89

2.15. RISULTATI DELL’ANALISI DEI COSTRUTTUTTORI ... 91

2.16. MOTORE ANTERIORE CENTRALE E TRAZIONE INTEGRALE NELLA STORIA DELL’AUTO ... 92

3. VINCOLI PROGETTUALI ... 96

3.1. MOTORI ... 97

3.2. BARICENTRO MOTORI ... 99

3.3. CAMBI ... 101

3.4. TRAZIONE INTEGRALE ... 105

4. IMPOSTAZIONE DEL PIANALE MOTORE ANTERIORE-CENTRALE: VANTAGGI E SVANTAGGI ... 107

4.1. MOTORI ... 108

4.2. TRAZIONE INTEGRALE ... 118

4.3. CAMBI ... 119

4.4. ABITABILITÀ INTERNA ... 123

5. MODELLO MATEMATICO VEICOLO ... 126

6. MODELLI MATEMATICI VALUTATI ... 132

6.1. CASO A1: Bmw Serie 320d E91 ... 134

6.2. CASO A2: Motore “raddrizzato” ... 135

6.3. CASO A3: Motore inclinato di 30° come i benzina Bmw ... 135

6.4. CASO B1: Motore dietro l’asse delle ruote inclinato di 20° ... 136

6.6. CASO B3: Motore ruotato di 30° dietro l’asse delle ruote ... 138

6.7. CASO C1: Motore dietro l’asse delle ruote abbassato e ruotato di 20° 139 6.8. CASO C2: Motore verticale dietro l’asse delle ruote, ma abbassato .... 139

6.9. CASO C3: Motore dietro l’asse delle ruote, ma abbassato e ruotato sul fianco di 30° ... 140

7. CONFRONTO MODELLO CON INTERPOLAZIONE LINEARE DATI SPERIMENTALI ... 142

8. CONCLUSIONE ... 144

9. ULTERIORI CONSIDERAZIONI ... 148

10. POSSIBILI ULTERIORI SVILUPPI ... 149

... 155

ELENCO FIGURE ... 156

INDICE DELLE TABELLE ... 166

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INTRODUZIONE

È innanzitutto necessario porre in evidenza il fatto che l’obiettivo di posizionare il baricentro più in basso possibile e ridurre i momenti d’inerzia è sempre più fortemente vincolata dalla complessità e della varietà di veicoli e powertrain basati sulla medesima piattaforma, dalle normative relative alla sicurezza, dai consumi e dal controllo delle emissioni.

Sembrano ormai lontanissimi i tempi in cui ad esempio l’Alfa Romeo Giulietta del 1955 disponeva di una sola motorizzazione (1290 cc), un solo cambio meccanico a 4 marce, in assenza di requisiti di sicurezza al crash, senza specchietti laterali, senza poggiatesta, senza cinture.

Oggigiorno utilizzando la medesima piattaforma devono essere realizza automobili con motori differenti come ciclo (OTTO o Diesel), configurazione, cubature diverse, motori aspirati, turbo o biturbo, cambi automatici e non e, negli ultimi anni, sistemi ibridi più o meno importanti oltre a gamme di prodotto in diversi segmenti di mercato sia berline che SUV.

I vincoli progettuali si sono via via aggiunti come layer nelle varie decadi e via via resi più stringenti; in particolare dagli anni ‘70 ad oggi si sono diffusi il servosterzo, la trazione integrale, la motorizzazione diesel oltre a vari motori con diverse cilindrate e diverso numero di cilindri; negli anni ‘90 la sicurezza con airbag, i cambi automatici e l’inizio della sicurezza passiva e, negli anni 2000, si sono aggiunti i SUV e l’elettrificazione.

Si vuole qui prendere in considerazione il solo settore di automobili/SUV a motore longitudinale e trazione posteriore che costituiscono una larga fascia di automobili di alta gamma; si sono dunque escluse le autovetture con motore trasversale con trazione anteriore o, eventualmente, a trazione integrale nelle quali il motore si trova in posizione anteriore e disposto, appunto, trasversalmente.

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Vediamo ora di analizzare componente per componente alcuni vincoli progettuali direttamente e strettamente legati al posizionamento del gruppo motore/cambio. Sono qui dunque volutamente non trattati i vincoli progettuali indiretti, quali aerodinamica, resistenza al crash test e sistemi di controllo trazione/frenatura etc… il cui impatto sul sistema auto è innegabile, ma non attengono strettamente al tema in oggetto relativo alla sola ottimizzazione della posizione motore/cambio.

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1. VINCOLI PROGETTUALI

1.1. IL SERVOSTERZO

Tornando all’esempio dell’Alfa Romeo Giulietta del 1955 possiamo notare come nel passato l'assenza del servosterzo e l’assenza di requisiti specifici di sicurezza avesse permesso una gran libertà di impostare il sistema di sterzatura senza inficiare il powertrain. Guardando il motore e il cambio della Giulietta di quegli anni si nota come motore e cambio fossero posizionati il più in basso possibile senza alcun vincolo dato dai sistemi di sterzatura di oggi.

Figura 1.1 - Sistema propulsivo Alfa Romeo Giulietta 1955 - Immagine tratta dal sito

https://www1.uol.com.br/bestcars/cpassado2/giulietta-4.htm

Sebbene la Giulietta già utilizzasse all’anteriore una sospensione a quadrilatero particolarmente evoluta, la cremagliera dell’asse di sterzo è posizionata davanti al motore, appena dietro il radiatore dell’acqua come visibile in Figura 1.2.

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Figura 1.2 - Meccanica Alfa Romeo Giulietta con sistema di sterzatura posizionato tra il sistema di raffreddamento e il motore - Immagine tratta dal sito www.kollectium.com/prodotto/bozzetto-alfa-romeo-giulietta-berlina/#&gid=1&pid=1

L’aumento considerevole delle dimensioni degli pneumatici/ruote e il necessario utilizzo di un servosterzo più ingombrante conseguenza anche dell’aumento di peso delle vetture vincolano oggi i progettisti a posizionare l’asse dello sterzo ad una distanza di non più di 150-200mm dall’asse virtuale dei centri ruota.

Detto requisito appare meno stringente nel caso di veicoli a trazione anteriore e motore trasversale per i quali tendenzialmente l’asse di sterzo si trova dietro l’asse delle ruote perché il motore è disposto davanti al motore. Le automobili a motore anteriore e trazione posteriore, normalmente dotate di motore disposto longitudinalmente, obbligano viceversa a montare l’asse dello sterzo in posizione anteriore. L’asse dello sterzo e l’ingombro del differenziale perciò costituiscono uno dei primi vincoli tecnici nell’impostazione del veicolo e del posizionamento del powertrain.

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1.2. LA TRAZIONE INTEGRALE

A metà anni ‘80 alcune auto a trazione anteriore, allo scopo primario di gareggiare nei rally e competere con le automobili a trazione (e motore) posteriore, furono dotate di trazione integrale. Il successo di tale soluzione, conosciuta soprattutto grazie alla pubblicità che Audi ne fece nei rally, si estese ben presto alle automobili di serie costituendone una buona nicchia a tutto vantaggio dell’immagine della marca, grazie alla maggior motricità e sicurezza data dalla trazione integrale. All’epoca le auto con trazione posteriore avevano grossi limiti in tenuta di strada a causa dei limiti tecnici come gomme strette e poco performanti. La ripartizione dei pesi poco favorevole era dovuta anche a dimensioni delle auto inferiori (e di conseguenza anche il passo) e motori più pesanti. Di fatto queste auto risultarono assolutamente insicure soprattutto su terreni scivolosi.

Nel 1980 Audi lanciò il coupé quattro a trazione integrale che debuttò nei rally nel gennaio del 1981 (Audi quattro, 2020). In risposta alla trazione integrale Audi, Bmw introdusse la propria trazione integrale nel 1986 sulla berlina Serie 3 dotata del 6 cilindri benzina 325xi (Koenig, 2015), seguita da Mercedes che lanciò nel 1987 il sistema “4matic” sviluppato con l’austriaca Steyr-Puch che debuttò sulla Classe E abbinata al cambio automatico e ai motori in-linea a 6 cilindri sia benzina che diesel (4Matic, 2020).

Sulle auto con motore trasversale anteriore infatti la realizzazione della trazione integrale risultava relativamente semplice anche se il pianale deve essere predisposto per accogliere un tunnel centrale, le sospensioni posteriori e l’alloggiamento del ripartitore/differenziale centrale, dell’albero di trasmissione all’interno del tunnel e del differenziale posteriore con relativi semiassi. La derivazione da trazione anteriore con peso preponderante all’anteriore ha fatto sì che queste trazioni integrali avessero una ripartizione della coppia preponderante sull’anteriore anche a causa della volontà di non sovradimensionare gli organi meccanici vista la già bassa resa meccanica dovuta a ripartitori e alla presenza di due coppie coniche a cascata.

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Sui veicoli con motore longitudinale e trazione posteriore la trazione integrale sembrerebbe aver avuto in un primo momento un impatto inferiore sulla meccanica; l’aggiunta di un differenziale centrale alla fine del cambio e di un albero di trasmissione aggiuntivo che portasse il moto all’asse anteriore tramite l’aggiunta di un differenziale e dei semiassi anteriori. La concomitanza con la diffusione del servosterzo e la compattezza delle auto dell’epoca non hanno mostrato l’ulteriore impatto in termini di vincoli meccanici dati dall’aggiunta della variante a 4 ruote motrici che imponeva un grosso vincolo dato dal differenziale e dai semiassi all’anteriore che, ovviamente, dovessero essere nel centro ruota.

1.3. LE MOTORIZZAZIONI

Come abbiamo visto negli Anni ‘50 e ‘60 se non ’70 le auto avevano praticamente una sola motorizzazione e una sola trasmissione, tanto che in alcuni casi la cilindrata era addirittura il nome del modello come l’Alfa Romeo 1750.

Negli anni successivi si è assistito non solo all’introduzione di varie motorizzazioni e cilindrate, ma anche l’utilizzo e il ricorso di motori diesel e di motori con diverso numero di cilindri; se all’inizio si trattava di diverse cilindrate come ad esempio dei 4 cilindri di 1300cc e di 1600cc, successivamente con le nuove generazioni di auto si iniziano ad utilizzare anche i 2000cc. Si ricorse anche a motori a 6 cilindri, in alcuni casi con configurazioni in linea e in altri a V, e all’utilizzo di turbocompressori. L’incremento della cilindrata dei motori, nonché il più largo uso dei motori a ciclo Diesel di quegli anni è causato sostanzialmente dall’incremento di peso dei veicoli. E’ inoltre conseguenza di incrementate dimensione dei veicoli per il miglioramento del comfort e dovuto a più stringenti requisiti resistenziali delle scocche. L’utilizzo di blocchi motore/teste in alluminio/acciai a spessore sottile ha contribuito a limitare in piccola parte, ma non impedito, l’incremento del peso e dei volumi dei motori stessi.

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1.4. CAMBI MANUALI E AUTOMATICI

La sempre maggior volontà di espandere la produzione e la vendita di veicoli anche nel mercato USA ha imposto negli Anni ‘70 ai Costruttori Europei l’utilizzo sui propri veicoli dei cambi automatici, caratterizzati da pesi e dimensioni superiori ai classici manuali a 5 marce dell’epoca, pur con sole 3 marce fisse e del convertitore di coppia. Solo recentemente si è poi assistito al notevole incremento del numero delle marce di questi cambi automatici che ha raggiunto ad oggi 8, 9 o addirittura 10 rapporti a cui sommare sempre l’effetto del convertitore idraulico. Agli “automatici” di cui sopra si è aggiunta la tipologia di cambio “non manuale” ovvero i cambi a doppia-frizione utilizzati sia su automobili Ferrari oltre che Porsche ed Audi. È comunque necessario evidenziare il fatto che a fronte di un aumento di potenza e, ancor più di coppia, la dimensione ed il peso dei cambi è comunque considerevolmente aumentato tanto da indurre, in qualche caso, limiti di coppia dei motori stessi per non incrementarne il peso.

1.5. LA DIFFUSIONE DEI SUV

L’introduzione e l’inizio della diffusione dei SUV nei primi Anni 2000 ha di fatto sdoganato e diffuso il ricorso alla trazione integrale sia per la natura di questa tipologia di vettura tuttoterreno che richiamava i fuoristrada, sia per la necessità di conferirgli una dinamica di guida per quanto possibile il più automobilistica possibile. Nati inizialmente da piattaforme dedicate o modificando/rialzando le piattaforme delle varie auto convenzionali si sono poi pensate nuove piattaforme che potessero fornire da base non solo ai veicoli convenzionali, ma anche ai SUV. È di tutta evidenza che i SUV costituiscono una sfida progettuale assai critica in relazione sia alla sicurezza che alla piacevolezza di marcia, poiché il veicolo è caratterizzato, di per sé, da maggiore altezza da terra rispetto ad una berlina nonché da un baricentro pilota/passeggeri ben più in alto.

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1.6. LA COMPLESSITA’ POWERTRAIN

Nel panorama automobilistico vi sono tre esempi significativi e utili per un confronto diretto circa i possibili casi e le possibili soluzioni per il posizionamento del powertrain a fronte di vincoli specifici di progetto:

1. Maserati Granturismo 2. Nissan GT-R

3. Sesta generazione della Bmw Serie 3.

1.6.1. MASERATI GRANTURISMO

La coupé Maserati e la sua variante Spider, la Grancabrio, sono state dotate di una doppia configurazione meccanica. Inizialmente, infatti, queste auto sono state dotate della sola configurazione transaxle nella quale il motore è posizionato anteriormente, mentre il cambio è posizionato al retrotreno in blocco con il differenziale posteriore; il moto viene trasmesso a quest’ultimo attraverso un albero di trasmissione che gira all’interno di un tubo che vincola rigidamente il motore con il cambio robotizzato di origine Ferrari posizionato al posteriore come si può vedere nella seguente Figura 1.3.

Figura 1.3 - Maserati Granturismo con cambio robotizzato di origine Ferrari ”Duoselect” - Foto tratta dal sito Maserati nel 2012

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La soluzione adottata garantisce il miglior bilanciamento dei pesi e dovrebbe garantire la minor altezza possibile del baricentro dato il posizionamento del motore completamente dietro l’asse delle ruote anteriori. Purtroppo la volontà di condivisione l’installazione del powertrain con la versione con cambio automatico ZF a 6 marce non permette la minor altezza del baricentro, poiché il cambio automatico ha un forte sviluppo in altezza; questa altezza vincola il posizionato del powertrain in entrambe le configurazioni, infatti come mostrato nella Figura 1.5 il cambio ZF costituisce il punto più basso dell’intero powertrain. Si evidenzia qui tuttavia l’estrema bravura dei progettisti Maserati nella realizzazione di due powertrain sostanzialmente diversi con l’utilizzo della medesima scocca come visibile nelle immagini Figura 1.4 e Figura 1.5.

Figura 1.4 - Maserati Granturismo con cambio transaxle - Immagine tratta da km77.com

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Una progettazione “non vincolata” dei supporti motore e la rivisitazione del layout di tutta la linea di scarico probabilmente avrebbe permesso alla variante dotata del cambio robotizzato di avere il baricentro decisamente più basso; l’immagine qui sotto Figura 1.6 riportata mostra che non esisterebbero vincoli apparenti per il suo posizionamento verso il basso.

Figura 1.6 - Motore di una Maserati Granturismo transaxle - Immagine tratta dal sito Maserati nel 2012

Ribadisco ancora qui, inoltre, la bravura dei tecnici nel realizzare una piattaforma dotata di due configurazioni completamente differenti, quasi a nascondere due auto completamente diverse “sotto un unico vestito”.

1.6.2. NISSAN GT-R

Il secondo esempio di estrema complessità è il modello sportivo Nissan, chiamata GT-R, nella quale la configurazione prevede motore anteriore longitudinale, cambio transaxle al posteriore a doppia-frizione e trazione integrale.

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Figura 1.7 - Nissan GT-R - Immagine da https://it.crazypng.com/891.html

Questa configurazione è un unicum tecnico mondiale, poiché dalla trasmissione posta in blocco con il differenziale posteriore vi è un secondo albero di trasmissione che riporta il moto alle ruote anteriori. La coppia infatti, dopo la riduzione mediante la trasmissione, viene ripartita tra le ruote anteriori e posteriori tramite il differenziale centrale da cui ripartisce la trazione tra le ruote posteriori e quelle anteriori riporta il moto a quelle anteriori. L’uscita di tale asse lo si vede nella seguente Figura 1.8 sulla sinistra ed è quello più in basso.

Figura 1.8 - Cambio BorgWarner DCT a 6 marce utilizzato da Nissan GT-R - Immagine tratta da Autotorque.net

I tecnici giapponesi hanno posizionato il motore sopra l’asse anteriore. Una rappresentazione della meccanica può essere osservata nell’immagine seguente in Figura 1.9.

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Figura 1.9 - Nissan GT-R meccanica - foto al salone di Parigi 2016

Il differenziale anteriore che impone il posizionamento del motore più in alto è mostrato dalla Figura 1.10 e dalle successive Figura 1.11 e Figura 1.12.

Figura 1.10 - Vista laterale motore e differenziale anteriore Nissan GT-R - foto al salone di Parigi 2016

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Figura 1.11 - Meccanica Nissan GT-T con albero di trasmissione in carbonio che porta il moto al cambio transaxle, differenziale centrale e albero di ritorno all’anteriore in materiale metallico verso il differenziale anteriore - foto al salone di Parigi 2016

La posizione del motore esattamente sopra l’asse anteriore lo si apprezza ancor meglio nella seguente immagine in Figura 1.12, la prima in cui si vede la meccanica vista dall’alto e la seconda mostra i semiassi e l’asse di sterzo che in quest’auto si trova dietro all’asse delle ruote:

Figura 1.12 - Meccanica Nissan GT-R vista dall’alto - immagine tratta dal sito km77.com

Si evidenzia qui la particolarità dell’installazione del sistema di sterzatura dietro l’asse delle ruote anteriori, posizione insolita per un’auto con motore longitudinale, come si vede nell’immagine Figura 1.13.

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Figura 1.13 - Nissan GT-R sospensioni anteriori - immagine tratta dal sito km77.com

Il risultato tangibile della complessità meccanica e del posizionamento in alto del motore, della linea d’assi è visibile in questa vista laterale dell’immagine in Figura 1.14, nella quale si vede come la linea di scarico sia posizionata molto in basso sulla vettura, mentre il resto della meccanica abbastanza in alto sebbene si tratti di una supercar.

Figura 1.14 - Nissan GT-R: meccanica vista dall’alto - immagine tratta dal sito km77.com

Una delle possibili spiegazioni potrebbe essere che Nissan intendesse sviluppare tale piattaforma ricorrendo ad un motore V8 biturbo che risulta essere più lungo rispetto ad un V6, rendendo quindi un poco più difficile il posizionamento del motore completamente dietro l’asse delle ruote anteriori, ma sicuramente fattibile.

1.6.3. SESTA GENERAZIONE DELLA BMW SERIE 3

Veniamo ora all’ultimo esempio che spiega bene come la progettazione del pianale è costituita dall’inviluppo di tutte le combinazioni possibili in termini di motore, cambi e trazione: la sesta generazione della Bmw Serie 3. La E90 con le sue varianti

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ha probabilmente raggiunto il massimo della complessità della gamma in termini di powertrain essendo dotata non solo dei motori a 4 e 6 cilindri sia benzina che diesel, ma, nella variante più sportiva, la M3, anziché utilizzare il 6 cilindri benzina ad alta potenza specifica, ha potuto adottare il 4.0 V8 benché esso abbia imposto una completa riprogettazione sia del vano motore sia delle sospensioni (motore a V anziché in linea). Tale utilizzo è stato reso possibile dal fatto che i motori a 4 e 6 cilindri in linea sono disposti longitudinalmente e sono particolarmente ingombranti in lunghezza, ma hanno la linea di scarico solo su un lato del motore, mentre il motore V8 ha due linee di scarico laterali, una per bancata e quindi ha ingombri trasversali maggiori come visibile in Figura 1.15.

Figura 1.15 - Bmw motore S65 della Serie 3 M3 - foto tratta dalla pagina del motore S65 presente su Wikipedia.it

Data l’assenza della trazione integrale nella versione sportiva i tecnici tedeschi sono riusciti a posizionare il motore più in basso rispetto alla configurazione standard, ma sempre al di sopra dell’asse delle ruote anteriore. Il risultato è stato ottenuto grazie al ricorso ad una doppia coppa dell’olio con due succhiarole e relative pompe olio così da lasciare lo spazio per il sistema di sterzatura che passa proprio in mezzo ad esse. Nella Figura 1.16 è presentate un’immagine del V8 “di rotazione”, ovvero

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una fotografia di un motore usato pronto alla vendita sulla piattaforma on-line eBay nel sito inglese. L’immagine presa dal basso evidenzia come la coppa dell’olio sia praticamente divisa in due con una coppa molto grande e larga al posteriore e una parte anteriore, tale configurazione permette di abbassare il massimo il motore e lo spazio lasciato libero evidenzia la zona dove passa il sistema di sterzatura, uno dei grossi vincoli dei progettisti.

Figura 1.16 - Bmw Serie 3 E92 M3 - motore di rotazione - Foto tratta dal sito eBay inglese

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2. BENCHMARKING

In questo capitolo vengono analizzate concorrente per concorrente le disposizioni meccaniche dei propri veicoli e le filosofie costruttive, analizzando le caratteristiche peculiari di ogni Casa costruttrice con i vantaggi e gli svantaggi di ogni configurazione, oltre alle motivazioni di tali disposizioni meccaniche.

2.1. BMW

La Bmw M3 della Serie 3 di sesta generazione, successiva a quella che abbiamo visto nel capitolo precedente, non utilizza più il motore 4.0 V8 Bmw aspirato con relativi complessi adattamenti. La nuova generazione utilizza un 6 cilindri benzina, turbocompresso da due turbine, così da raggiungere potenze superiori ai 450cv; i tecnici Bmw hanno così potuto ottimizzare la piattaforma per tale configurazione. Il vantaggio associato alla diminuzione, anche di pochi centimetri, del baricentro dell’autoveicolo da parte dei tecnici BMW è tale che da moltissimi anni, sin dalla 2002 degli anni ’70 come visibile in Figura 2.1. La Casa di Monaco posiziona i propri propulsori con una rotazione longitudinale in senso orario (per vista da conducente) di 30° gradi, ottenendo sia l’abbassamento del cofano motore, sia, cosa ancor più significativa, l’abbassamento del baricentro del motore stesso e quindi dell’intero veicolo di cui il motore costituisce un componente particolarmente pesante della vettura, oltre 200 kg includendo di accessori e linea di scarico.

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Figura 2.1 - Motore Bmw 2002 degli anni '60 - Immagine dal forum Bmw2002.faq.com

Nella seguente Figura 2.2 viene mostrata la rotazione di 30° dei motori BMW sul fianco dal lato del passeggero, in questo caso di un 6 cilindri turbo di 3 litri:

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Come si può vedere dalle immagini in Figura 2.3 e Figura 2.4 la parte finale della coppa dell’olio del motore ha uno svaso che serve per l’alloggiamento del differenziale anteriore che, su Bmw, come vedremo successivamente si trova sul lato guidatore. In particolar modo nella Figura 2.4 si vede chiaramente come la coppa dell’olio abbia una forma particolare sia perché il motore è ruotato sul fianco sia perché nella parte anteriore la coppa deve essere il più compatta possibile per far passare il sistema di sterzatura e alloggiare il differenziale anteriore per la variante 4x4 che Bmw chiama “xDrive”. Internamento il fondo della coppa dell’olio è piano per poter raccogliere al meglio l’olio in qualsiasi utilizzo sia nella parte anteriore che nella parte posteriore che è decisamente più bassa e dove è alloggiata la succhiarola ovvero dove la pompa dell’olio aspira l’olio per mandarlo in circolo nel motore. L’olio all’interno della coppa essendo un liquido prende la forma della coppa, ma non può superare il manovellismo dell’albero motore. Se fino a qualche tempo la rotazione del motore era compresa tra i 30° dei motori benzina e i 20° dei diesel, con la realizzazione di una nuova generazione di motori modulari della famiglia “Bxx” ora tutti i motori hanno una rotazione di 30°. Questa modularità va oltre condividendo moltissimi componenti tra motori benzina e diesel, non solo tra i 4 e 6 cilindri in linea, ma includendo anche i nuovi motori 3 cilindri.

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Figura 2.3 - Bmw 3.0 L6 TC-DI “N55” 306cv 400Nm - Press release Bmw

Figura 2.4 - Bmw 3.0 2TC-DI M3-M4 – Spaccato del motore – Foto di Bimmerpost

La modularità non si ferma al solo basamento, ma si spinge anche al ricorso a medesimi componenti e sistemi oltre che all’installazione su veicolo come visibile in Figura 2.5 e Figura 2.6.

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Figura 2.5 - Famiglia motori modulari Bmw "Bxx" - Da rivista MTZ

Figura 2.6 - Bmw nuova famiglia motori modulari “B” - Da presentazione Bmw Innovation Days 2012

Dal segmento E in su e soprattutto sui più grossi SUV del segmento E e sulle ammiraglie come la Serie 7, Bmw adotta anche i motori V8 benzina e, nel caso estremo, anche un V12 di 6 litri ricavato dall’unione di due 3.0 L6 turbo. In questo caso, però, la larghezza del veicolo e di conseguenza del vano motore non ha posto

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grosse sfide tecniche agli ingegneri d Monaco essendo un V12 con un angolo tra le bancate di 60°.

A livello di sospensioni anche l’ultima generazione della Serie 3 dispone di una sospensione McPherson all’anteriore, mentre dal segmento E in su, ovvero dalla Serie 5, Bmw opta per una sospensione più raffinata: il quadrilatero alto. Se prima dell’ultima generazione della Serie 3 l’azienda bavarese avesse una piattaforma dedicata al basso di gamma con Serie 1 e Serie 3, mentre Serie 5 e Serie 7 erano da tempo già sulla medesima base, oggi non è più così. Con il passaggio della Serie 1 alla trazione anteriore e l’ulteriore aumento di dimensione della Serie 3, Bmw ha scelto di creare una nuova piattaforma che non solo riunisse le berline di Casa sulla medesima piattaforma, ma che potesse essere da base anche per i sempre più apprezzati e venduti SUV. Sebbene ora la Serie 3 sia realizzata sulla versione a passo corto e con carreggiate più strette della piattaforma modulare BMW, non dispone delle medesime sospensioni anteriori a quadrilatero alto delle ammiraglie di casa rimanendo fedele al più economico McPherson anche forse per problemi di ingombro di un eventuale sospensione a quadrilatero alto.

Il posizionamento del motore è mostrato dalle due successive immagini relative alla Bmw Serie 3 E90; la Figura 2.7 mostra il motore con il piano verticale anteriore tangente alla fine del telaietto inferiore, cioè, oltre l’asse delle ruote anteriori, mentre, la Figura 2.8 evidenzia il fatto che l’asse dello sterzo è posizionato sotto al motore.

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Figura 2.7 - Bmw Serie 3 E90 - Spaccato con motore - Foto Bmw Press 2004

Figura 2.8 - Bmw Serie 3 E90 - Spaccato senza motore - Foto Bmw Press 2004

Per ottimizzare il comportamento di guida e utilizzare la medesima configurazione meccanica per le varianti a trazione posteriore e quelle dotate di trazione integrale, Bmw scelse di avere il differenziale anteriore avvitato al motore in linea come nella

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prima generazione dell’X3. Questo veicolo è il D-SUV derivato dalla quinta generazione della Serie 3 ed era prodotto da Magna Steyr in Austria. Di seguito sono presenti due immagini della Bmw X3 di prima generazione: la Figura 2.9 mostra la vista complessiva con la trazione 4x4 evidenziata in giallo e la Figura 2.10 rappresenta il dettaglio della trazione integrale con il differenziale anteriore avvitato al basamento motore.

Figura 2.9 - Bmw X3 prima generazione – Vista complessiva della meccanica, con la trazione 4x4 evidenziata in giallo – Bmw Press 2004

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Figura 2.10 - Bmw X3 prima generazione - Dettaglio trazione integrale - Immagine dal sito km77.com www.km77.com/coches/bmw/x3/2004/estandar/informacion/bmw-x3-tres-motores-de-seis-cilindros-gasolina-o-diesel

Se fino ai motori a 6 cilindri Bmw ricorre alla disposizione in linea, per quanto riguarda gli 8 cilindri utilizza la disposizione a V con un angolo tra le due bancate di 90°. Questi V8 utilizzati da Bmw per le versioni prestazionali dei segmenti superiori sono addirittura dotati di una coppa olio “forata” o “coppa passante” per il semiasse anteriore così da ridurre il più possibile l’altezza del baricentro e non dover rivedere la configurazione meccanica della parte anteriore della piattaforma. Esempio di questa configurazione è il modello X5, lanciato a metà Anni 2000, prima della convergenza sulle nuove piattaforme modulari. Per l’E-SUV Bmw ha scelto di utilizzare la coppa forata ovvero di una coppa dell’olio cava per far passare il semiasse che porta il moto alla ruota presente sul lato opposto del differenziale che, per Bmw, è la ruota lato passeggero.

Di seguito sono mostrate tre immagini della Bmw X5 di seconda generazione. La Figura 2.11 mostra la vista complessiva della trazione integrale (in blu); il differenziale anteriore è imbullonato al motore sul lato guida, dato la rotazione del motore dal lato passeggero con sistema di scarico, e il semialbero della ruota

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anteriore lato passeggero che passa attraverso la coppa dell’olio del motore; la Figura 2.12 rappresenta la vista presa dall’alto e la Figura 2.13 evidenzia il posizionamento della sola meccanica.

Figura 2.11 - Bmw X5 di seconda generazione con motorizzazione V8 - Meccanica vista complessiva, estratto da Bmw Press

Figura 2.12 - Bmw X5 di seconda generazione con motorizzazione V8 - Meccanica vista dall’alto, estratto da Bmw Press

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Figura 2.13 - Bmw X5 di seconda generazione con motorizzazione V8 -www.km77.com

Da sempre Bmw si affida all’azienda tedesca Getrag per i cambi manuali a 6 marce, ma è l’automatico ZF prima a 6 rapporti e ora a 8 rapporti in Figura 2.14 ad essere sempre di più il protagonista.

Figura 2.14 - Cambio ZF 8HP montato su Bmw Serie 5 GT - Da km77.com

Questo cambio è praticamente stato sviluppato per le esigenze di Bmw, pertanto è disegnato tenendo presente le esigenze e la configurazione meccanica di tali veicoli;

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si pensi che rivedremo questo cambio anche su Audi che però, come vedremo, ha una specifica variante del cambio ZF per la particolare configurazione meccanica. Per concludere l’analisi riporto un esempio di come il Marchio Bavarese si sia concentrato nel ridurre il peso e l’altezza del baricentro, in special modo sulle varianti sportive delle proprie auto denominate “M”. La M3 CSL del 2006 è stata la prima a ricorrere ad un tetto in carbonio che permetteva un risparmio di peso di 7 kg, ma soprattutto una riduzione dell’altezza del baricentro dell’auto, cosa molto efficace visto che il tetto è la parte più alta dell’auto e quindi, sebbene basso in termini di massa, apporta un buon contributo nell’abbassamento del baricentro (BMW M3, 2020).

2.2. MERCEDES

Il Marchio di Stoccarda dopo l’esperienza del 5 cilindri diesel in linea terminata nei primi Anni 2000 aveva allineato la produzione dei propri motori diesel e benzina, ricorrendo ad un V6 3.0 diesel con angolo tra le bancate di 65°. Questa soluzione aveva permesso di ottimizzare la piattaforma per entrambe le tipologie di motori. Rispetto a Bmw, nella quale la presa di forza per il rimando della trazione integrale si trova sul lato del guidatore, Mercedes ha scelto una configurazione opposta e cioè con albero e differenziale spostato sul lato del passeggero, come si apprezza in Figura 2.15, della drivetrain 4matic del V8 Mercedes con cambio automatico a 9 rapporti denominato “9g-tronic”. Oltre a ciò Mercedes prevede una coppia conica del differenziale centrale. Così facendo l’albero rimane decisamente più vicino alla trasmissione, risultando quindi meno ingombrante verso lo chassis e, non ultimo, verso l’abitabilità interna del veicolo.

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Figura 2.15 - Mercedes V8 9g-tronic 4matic - Immagine tratta da https://en.wikipedia.org/wiki/4Matic

Anteriormente data la disposizione a V dei 6 cilindri e degli 8 cilindri, Mercedes ha adottato per tutte le varianti il ricorso al sistema della coppa olio forata che ha permesso di mantenere relativamente in basso il posizionamento motore in vettura, come si può notare dalla Figura 2.16.

Figura 2.16 - Mercedes Classe E 4matic - Coppa forata per il passaggio del semiasse lato guida - Immagine tratta da Media Daimler https://media.daimler.com/marsMediaSite/en/instance/ko/The- technology-of-the-new-4MATIC-generation-Superior-traction-with-first-class-driving-safety-and-classic-Mercedes-Benz-comfort.xhtml?oid=9361252

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Si vede ora in dettaglio sia l’attacco del differenziale al basamento motore che l’inclinazione di 7° dell’albero di trasmissione nelle immagini di Figura 2.17 e Figura 2.18 tratte dal sistema della penultima generazione del D-SUV Mercedes, la GLK:

Figura 2.17 - Mercedes GLK 4matic - immagine e disegno del sistema 4matic - Media Daimler sistema 4matic

Figura 2.18 - Mercedes GLK 4matic - immagine e disegno del sistema 4matic - Immagine Daimler Media 4matic

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Mercedes adottava diverse soluzioni per la trazione integrale in base alla tipologia di veicolo come visibile nella seguente Figura 2.19.

Figura 2.19 - Sistema 4matic delle diverse Mercedes - Immagine tratta dal sito www.matteodilallo.tech

A livello sospensivo Mercedes adotta già da tempo sull’intera gamma a trazione posteriore sospensioni anteriori a quadrilatero alto che si sposano perfettamente con i motori a V e con i 4 cilindri in-linea non ruotati sul fianco. Posteriormente ci troviamo invece di fronte a sospensioni multilink sin dalla metà degli Anni ‘80, probabilmente uno dei fattori che ha contribuito maggiormente al miglioramento delle qualità di guida delle trazioni posteriori con il conseguente accrescimento delle qualità stradali e, di conseguenza, delle vendite.

Mercedes avrebbe potuto arretrare ulteriormente il motore, ponendolo completamente dietro all’asse delle ruote anteriori, senza quindi ricorrere alla coppa forata per il passaggio del semiasse anteriore lato guida delle varianti a trazione integrale, come si può notare dalla vista complessiva della Mercedes Classe C di precedente generazione in Figura 2.20.

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Figura 2.20 - Mercedes Classe C V6 4matic - Meccanica vista complessiva - Foto da Autoappassionati.it

Probabilmente le ragioni che hanno portato Mercedes a non utilizzare tale configurazione risulta essere l’adozione dei V12 sulle versioni più lussuose delle proprie ammiraglie e SUV come ad esempio la Classe S in Figura 2.21.

Figura 2.21 - Mercedes Classe S nella variante V12 biturbo AMG - Immagine da MercedesBlog.com

Mercedes ha altresì applicato alla propria Supercar AMG, la GT, la configurazione con motore in posizione anteriore centrale (dietro l’asse virtuale delle ruote anteriori) e il cambio a doppia-frizione al retrotreno in posizione transaxle. L’assenza della variante a trazione integrale ha permesso il posizionamento del motore particolarmente in basso con la barra antirollio e lo sterzo posizionati davanti al motore. L’ immagine di Figura 2.22 potrebbe ingannare circa la posizione

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del motore; la parte in plastica nera posta davanti all’asse motore appartiene al sistema di aspirazione prima del filtro e non al motore in sé.

Figura 2.22 - Mercedes AMG GT - Meccanica vista dall’alto - Foto da Autoappassionati.it

La Figura 2.23 si mostra la vista della meccanica dalla parte anteriore con motore completamente dietro l’asse delle ruote anteriori e barra antirollio in zona anteriore.

Figura 2.23 - Mercedes AMG GT - Meccanica vista anteriormente - Foto da Autoappassionati.it

Rispetto a Ferrari, però, Mercedes ha mantenuto il grosso tubo di collegamento rigido tra motore e cambio come visibile dalla seguente Figura 2.24 relativo alla progenitrice della AMG GT, ovvero la supercar SLS, in cui viene confrontata la meccanica della variante convenzionale con quella elettrica. Si vede chiaramente il

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posizionamento decisamente in basso di tutto il powertrain così da garantire un baricentro particolarmente basso del veicolo e, quindi, una dinamica di guida superiore, degno di una supercar.

Figura 2.24 - Mercedes SLS convenzionale ed elettrica - Immagine da presentazione modello da parte di Mercedes

Per l’attuale generazione di auto a trazione posteriore Mercedes ha sviluppato una nuova famiglia di motori in alluminio a 4 e 6 cilindri in-linea benzina e diesel realizzabili sulla medesima linea produttiva. Oltre a ciò Mercedes ha standardizzato il posizionamento dei motori su vettura uniformando non solo il lato aspirazione e quello di scarico per tutte le configurazioni a 4 e 6 cilindri, ma anche gli attacchi dei motori come Mercedes stessa evidenzia nella seguente immagine inFigura 2.25.

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Figura 2.25 - Nuovo Motore Mercedes 2.0 diesel OM654 su Classe E - Mercedes Press

Vi è quindi da parte di Mercedes una certa convergenza verso sistemi propulsivi simili a Bmw, che forse prefigura una futura ulteriore collaborazione, per non dire di più, tra i due Marchi visto che già da tempo collaborano per l’acquisto congiunto di parti sottopelle, quelle cioè che non si vedono come ad esempio sistemi di apertura porte (www.cips.org, 2010).

Mercedes utilizza i cambi manuali a 6 marce solo per l’ingresso della gamma con motore longitudinale, per il resto della gamma utilizza il proprio cambio automatico “9g-tronic” a 9 marce che sta sostituendo completamente il precedente “7g-tronic”, anch’esso prodotto da Mercedes.

Come nel caso del cambio AT8 di ZF utilizzato da Bmw anche Mercedes alloggia la parte di elettronica ed elettroidraulica nella parte inferiore del cambio dato che non posizionava e, a maggior ragione ora con i 6 cilindri in linea, non posiziona il motore dietro l’asse delle ruote anteriore, ma al di sopra. Tuttavia per limitare ciò Mercedes prima, con i motori a V, ricorreva alla coppa forata per limitare il posizionamento in altezza del propulsore; ora, invece con i 6 cilindri in-linea lo posiziona al di sotto del motore avendo una coppa olio dei nuovi motori, come visibile in Figura 2.26. Si tratta di un’impostazione veramente molto simile a quella di Bmw, in questo caso, però, i motori non sono ruotati sul fianco, ma dritti.

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Figura 2.26 - Cambio automatico a 9 marce di Mercedes nella variante 4x4 “4matic” - Daimler Media 4matic

Un’altra immagine molto utile per comprendere i componenti presenti all’interno del cambio Mercedes è visibile nella seguente Figura 2.27.

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Questa immagine serve anche a spiegare come Mercedes abbia pensato ad una trasmissione flessibile, sia per le versioni a trazione posteriore che quelle a trazione integrale, ma soprattutto alla variante ibrida plug-in visibile in Figura 2.28. Quest’ultima variante elettrificata ha un modulo elettrico composto da motore elettrico e una frizione tra il motore endotermico e il cambio così da disconnettere il motore nella marcia elettrica pura. Il modulo comprende anche un convertitore di coppia compatto, andando quindi a sostituire completamente tutta la prima parte del cambio senza aumentare la lunghezza del powertrain o cambiando il posizionamento motore.

Figura 2.28 - Cambio 9g-tronic nella variante ibride plug-in - Immagine da www.caricos.com

2.3. JAGUAR e LAND ROVER

Le due Case inglesi di proprietà dell’indiana Tata costituiscono l’alternativa britannica allo strapotere tedesco nei veicoli con motore longitudinale.

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Sin dall’acquisizione nel 2008, Jaguar e Land Rover sono cresciute molto sia perché la precedente gestione Ford aveva posto le basi per un rilancio sia perché il mercato ha apprezzato sempre di più i SUV e quindi le Land Rover. Il rilancio dei due marchi è passato, seppure dopo varie esperienze negative quali la Jaguar X-type, che non era altro che una Ford Mondeo a trazione anteriore col “vestito” Jaguar oppure la bella S-Type che condivideva meccanica e parte della “scadente” componentistica con la Lincoln LN e la Ford Thunderbird (Jaguar S-Type (1999), 2019).

Se da un lato i Marchi inglesi hanno sempre sfruttato l’esperienza aeronautica e dell’alluminio per la costruzione delle scocche, dal punto di vista architetturale e di fornitori di equipaggiamenti hanno seguito le aziende tedesche ricorrendo alle medesime configurazioni e ai medesimi cambi.

Durante il rilancio avvenuto negli anni passati i due Brand inglesi hanno utilizzato motori diesel V6 e V8 oltre ai V6 e V8 benzina, questi ultimi dotati della sovralimentazione tramite compressore volumetrico. Un’immagine del V8 con compressore volumetrico di produzione Ford ancora utilizzato, forse per poco, da Land Rover è rappresentato in Figura 2.29

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Figura 2.29 - Range Rover Sport 2013 5.0 V8 SC 510cv - da km77

A livello di configurazione il ricorso al cambio automatico ZF a 8 marce che, come abbiamo detto, è nato e si è evoluto grazie a Bmw, ha un po' vincolato la configurazione meccanica. A ciò si aggiunge la necessità di coniugare le esigenze delle Jaguar, ovvero auto dal temperamento sportivo, a quelle di Land Rover, e cioè a raffinati fuoristrada che possono andare sulle dune o affrontare guadi particolarmente profondi. Pertanto la necessità di abbinare queste due anime completamente differenti per esigenze di economie di scala si abbina al vincolo del cambio ZF nato per le esigenze di Bmw che dispone di motori a 6 cilindri in-linea che necessariamente devono essere posizionati al di sopra dell’asse anteriore.

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Figura 2.30 - Range Rover Sport 2013 meccanica posizionamento motore e cambio - da km77

Se quindi vediamo il posizionamento su Land Rover del motore sopra l’asse delle ruote anteriori e con il differenziale che passa sotto la coppa dell’olio come mostrato in Figura 2.30 per quanto riguarda Jaguar troviamo una coppa forata per ridurre al massimo l’altezza del motore come visibile in Figura 2.30 e Figura 2.31.

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Figura 2.31 - Jaguar AWD - Immagine tratta da Autotecnica.org e dalla presentazione di Jaguar XF

Figura 2.32 - Meccanica Jaguar F-Pace - da www.km77.com

Tuttavia anche in questo caso, come già visto per i due Competitors tedeschi, l’ingombro in abitacolo risulta essere elevato, come visibile nella Figura 2.33

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relativa allo spaccato tecnico del veicolo che evidenzia l’impatto sull’abitabilità interna e gli ingombri del powertrain.

Figura 2.33 - Spaccato veicolo con evidenziata in giallo della trazione integrale su Jaguar XE - Immagine tratta da presentazione Jaguar 4x4 sulla berlina di segmnto D “XE”

Il cambio analogo a quello di Bmw, ovvero l’8 marce automatico di ZF, e il sistema di trazione integrale sul lato sinistro (lato guida) ricalcano il sistema Bmw come si può vedere dalla seguente immagine in Figura 2.34 della meccanica Range Rover che ha debuttato nel 2013 e della Jaguar XJ in Figura 2.35.

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Figura 2.34 - Meccanica Land Rover del modello Range Rover Sport dotato del V8 benzina con compressore volumetrico di produzione Ford e abbinato al cambio automatico ZF 8HP - immagine tratta dal sito km77.com

Figura 2.35 - Jaguar Xj AWD - dal sito Km77.com

Oggigiorno Jaguar e Land Rover hanno cambiato rotta abbandonando i motori a V. Hanno infatti presentato una nuova famiglia di motori modulare, denominata

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Ingenium, che prevede motori a 4 e 6 cilindri in linea sia benzina che diesel, esattamente come Bmw e, da poco, anche Mercedes.

Così come Mercedes anche il Gruppo Inglese non ricorre a motori ruotati sul fianco per abbassare il motore permettendo di disegnare un cofano più basso, ma soprattutto di abbassare il baricentro del motore.

2.4. MASERATI

Come abbiamo visto per le Granturismo e Grancabrio anche la precedente generazione della Quattroporte era dotata della medesima piattaforma. Pertanto anche l’ammiraglia Maserati era dotata della doppia disposizione meccanica: la versione più sportiva con il cambio robotizzato Duoselect di derivazione Ferrari in configurazione transaxle, mentre la versione più lussuosa e confortevole era dotata del cambio automatico a 6 rapporti di ZF in blocco al motore.

Come si vede nella

Figura 2.36 relativa alla Maserati Quattroporte della precedente generazione con

cambio “Duoselect”, il motore è in posizione anteriore-centrale, ma non viene

sfruttato appieno il vantaggio di questa configurazione.

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2.5. AUDI

Il marchio tedesco è stato forse il primo costruttore a sviluppare un pianale modulare che potesse essere utilizzato non solo tra più segmenti, ma in comune tra auto e SUV. Il pianale MLB, modular longitudinal baukasten (pianale modulare longitudinale), che ha debuttato a metà anni 2000, ha costituito una vera e propria rivoluzione per Audi andando a sostituire gradualmente le precedenti piattaforme e ha riunificato i modelli su questa base dal segmento D alle ammiraglie e ai SUV più grandi.

In questo modo Audi ha ottenuto enormi economie di scala perché oltre ad avere la medesima piattaforma utilizzava il medesimo powertrain. Se prendiamo ad esempio la variante 3.0 diesel che è sempre abbinata al cambio automatico a 8 rapporti e la trazione integrale tale powertrain è uguale dal segmento D, la A4, sino al più grande SUV, il Q7, in Figura 2.37 l’A7. L’unica cosa che cambia solo i semiassi anteriori e posteriori e la lunghezza dell’albero di trasmissione.

Figura 2.37 - Meccanica Audi 3.0 TDI con cambio automatico 8 rapporti e trazione integrale - Immagine riferita all’Audi A7 - Immagine tratta dal sito www.km77.com

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Ma la stessa meccanica con il motore V6 benzina biturbo la si ritrova anche sulla variante più sportiva dell’A5 coupé, l’RS 5 come visibile in Figura 2.38.

Figura 2.38 - Audi RS 5 Coupé 2015 dotata del pianale MLB di Audi - dal sito km77.com

La modularità non è l’unica vera grossa novità: con questa piattaforma Audi riposiziona gli organi meccanici in modo tale da garantire un accentramento delle masse; ciò è stato ottenuto grazie alla traslazione del motore all’indietro, reso possibile dallo spostamento del differenziale.

Per comprendere adeguatamente il cambiamento avvenuto Audi diffuse la seguente immagine Figura 2.39 nella quale si pongono a confronto la meccanica dell’Audi A4 B8 del 2007 realizzata sulla nuova piattaforma MLB (Audi A4 B8, 2020) rispetto alla precedente generazione del modello denominata B7. La meccanica è della nuova generazione e viene rappresentato di colore blu il sistema di sterzo e i semiassi, mentre in rosso vi sono i medesimi componenti della precedente generazione nella quale si pone in risalto anche il posizionamento della ruota. Risulta evidente come a parità di motorizzazione il motore sia posizionato molto più vicino al semiasse, risultando quindi meno a sbalzo sull’anteriore. Ciò è possibile rivedendo il posizionamento del differenziale che è spostato più in avanti facendo il semiasse che porta il moto alla ruota lato guida tra il motore e il sistema

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della frizione o, nel caso del cambio automatico del convertitore di coppia e del cambio a doppiafrizione del modulo delle due frizioni.

L’attività di “centraggio” ed abbassamento masse del powertrain è dunque una esigenza evidente sia per trazioni anteriori che posteriori.

Figura 2.39 - Immagine di confronto tra la disposizione meccanica dell’Audi A4 B8 su pianale MLB con in blu sistema di sterzatura, uscita semiassi e baricentro rispetto alla precedente generazione di Audi A4 in rosso - Audi Press 2011

Vediamo qui di seguito in Figura 2.40 e Figura 2.41 le immagini relative a questi due tipi di cambi utilizzati da Audi.

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Figura 2.40 - Press Audi A4 V6 TDI quattro del 2015 con cambio automatico ZF 8HP55A - Immagine da Audi Press

Figura 2.41 - Press Audi A4 con cambio a doppiafrizione “S tronic” del 2015 - Immagine da Audi Press

Per ottenere questa configurazione Audi ha richiesto a ZF una versione specifica del cambio automatico con una scatola cambio dedicata tanto da ridenominare l’8HP55 in 8HP55A dove la A sta per Audi (Cambio ZF 8HP55A per Audi A8, 2020); come visibile nella Figura 2.42 il differenziale anteriore si trova nella

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medesima fusione del cambio con il semiasse lato guida attraversa la scatola del cambio appena prima del volano.

Figura 2.42 - Cambio automatico a 8 rapporti ZF 8HP nella variante Audi denominata 8HP55A - foto da www.europeantransimssions.com

Abbiamo visto come il motore dell’Audi si completamente davanti all’asse delle ruote anteriori. Questa caratteristica deriva dal fatto che si tratta di un pianale pensato per avere la trazione integrale, o, in alternativa per le versioni d’attacco, la trazione anteriore.

Per tale ragione vediamo come il telaietto che supporta il motore si trova completamente davanti all’asse delle ruote posizionando il motore sopra al sistema di sterzatura e alla barra antirollio come visibile nella Figura 2.43, nella quale si vedono i semiassi anteriori che si vanno ad inserire nel cambio, per esempio nel cambio automatico a 8 rapporti ZF 8HP55A visibile in Figura 2.42. In questo caso la coppa dell’olio si sviluppa completamente in avanti anche in larghezza come visibile in Figura 2.39.

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Figura 2.43 - Audi A4 2015 sospensioni anteriori - foto da www.automobilrevue.cz

La trazione integrale, infatti è una peculiarità di questo Marchio tedesco che fonda la sua storia sull’introduzione nei rally della trazione 4x4 all’inizio degli Anni ’80. L’Audi Quattro da rally era famosa per il motore a 5 cilindri turbo visibile nella Figura 2.44; questo motore risulta tuttavia particolarmente ingombrante in lunghezza da renderne difficile l’installazione su veicoli moderni e una corretta ripartizione dei pesi. Tuttavia, Audi ha preservato questa configurazione per le versioni più sportive dei modelli dei segmenti inferiori, che hanno una configurazione con motore trasversale nel quale è più facile l’installazione di un 5 cilindri.

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Figura 2.44 - Meccanica dell’Audi quattro S1 - Immagine da Audi Press Italia

Pertanto Audi, oltre ai 2.0 a 4 cilindri in linea, adotta oggi sui propri veicoli a motore longitudinale i 3.0 V6 nonché di 4.0 V8 sia benzina che diesel. Quest’ultimo avendo una configurazione a V ha una lunghezza che è poco superiore al 4 cilindri, ma comunque inferiore al 5 cilindri linea o ad un eventuale 6 cilindri sempre in-linea.

Da notare, inoltre come i motori a 6 e 8 cilindri di V di Audi abbiano una coppa a sviluppo orizzontale che va ben oltre il basamento; come visibile in Figura 2.45 relativa al 3.0 V6 turbo dell’A8 plug-in la coppa dell’olio si estende ben oltre il basamento motore sia in lunghezza che in larghezza, andando a occupare tutto lo spazio possibile visto che buona parte della sottobasamento è occupata dai sistemi di sterzatura e dalla barra antirollio come visibile nella Figura 2.43.

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Figura 2.45 - Motore Audi A8 L e-tron quattro plug-in hybrid con coppa olio a sviluppo orizzontale - Audi A8 e-tron Press

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2.6. SUBARU

Nel panorama automobilistico è utile citare un altro esempio di veicolo che nasce sulla base di un veicolo a trazione integrale ovvero Subaru.

Il Marchio delle Pleiadi, oltre ad essere contraddistinto per il suo 4x4, è noto per i motori boxer Figura 2.46 che l’hanno resa famosa sia su strada che nei rally.

Figura 2.46 - Motore boxer a 4 cilindri diesel della Subaru Legacy del 2015 - Immagine da www.km77.com

Il baricentro del motore a sviluppo orizzontale, e di conseguenza il baricentro dei veicoli Subaru, è sempre stato più basso rispetto ai motori in-linea come visibile in Figura 2.47; questa specificità ha permesso alle auto giapponesi una dinamica di guida sempre molto piacevole e sportiva. La configurazione meccanica di Subaru prevede il cambio in blocco al motore nel quale il differenziale si trova nella configurazione classica ovvero dietro il sistema frizioni del cambio manuale o del volano e del convertitore di coppia come visibile in Figura 2.48 e Figura 2.49.

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Figura 2.47 - Subaru Impreza WRX 2015 - Immagine da www.km77.com

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Figura 2.49 - Subaru Legacy 2010 - spaccato del cambio CVT a variazione continua - dal sito km77.com

Lo schema tecnico di Subaru è rimasto immutato nel tempo e non ha avuto quell’innovazione che invece ha avuto Audi, che ha spostato il differenziale anteriore in avanti, tra il motore e il cambio. È altresì vero che la configurazione di Subaru consta di motori a sbalzo anteriore con configurazione “boxer” a V di 180° gradi sia per i 6 cilindri che per il 4 cilindri, che risultano essere decisamente più corti rispetto a motori 4 cilindri in-linea. Questa configurazione tuttavia impedisce di posizionare il motore dietro l’asse delle ruote anteriori a causa dell’ingombro trasversale del motore e al sistema di scarico delle varianti sovralimentate nelle quali i due sistemi di scarico devono necessariamente ricongiungersi sul lato nel quale è alloggiato il turbocompressore come visibile in basso a sinistra nella Figura 2.50 e in basso nella Figura 2.51.

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Figura 2.50 - Subaru Legacy 2009 - motore 2.0 boxer da 173cv. Foto Autoblog.it

Figura 2.51 - Subaru Legacy 2009 - motore 2.0 boxer da 173cv. Foto da km77.com

Inoltre, se Subaru riuscisse comunque a posizionare il motore completamente dietro l’asse delle ruote e in basso, avrebbe il problema di far passare l’albero di trasmissione per il differenziale anteriore; per riuscirci dovrebbe necessariamente

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alzare il motore facendo passare l’albero al di sotto di esso, quindi vanificando in buona parte il posizionamento anteriore-centrale del motore.

Lo svantaggio della necessità di collegare le due bancate potrebbe essere eliminato ricorrendo a due linee di scarico e due turbocompressori separati, con ovvi costi superiori e con l’incognita del posizionamento rispetto all’asse delle ruote anteriori. Vi è un solo esempio nella gamma Subaru con la BRZ, e la gemella Toyota GT86, nella quale i tecnici giapponesi non hanno ricorso alla trazione integrale e ad avere una variante motore turbosovralimentata, in questo caso vi era il 2.0 boxer aspirato abbinato al cambio manuale a 6 marce come da Figura 2.52.

Figura 2.52 - Subaru BRZ - vista laterale motore e cambio - foto da Autoblog.it

In questo caso, però la volontà di mantenere l’auto compatta con un passo ridotto non ha evidentemente portato i tecnici giapponesi a spostare il motore in posizione anteriore centrale, ovvero completamente dietro l’asse delle ruote anteriori, così da posizionarlo ancora più in basso. È anche vero che i tecnici Subaru hanno migliorato il posizionamento rispetto alla classica configurazione Subaru come si può apprezzare confrontando le due immagini in Figura 2.53 e Figura 2.54.

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Figura 2.53 - Subaru BRZ e Toyota GT86 - posizione motore classico di Subaru - immagine da video Toyota su Autoblog.it

Figura 2.54 - Subaru BRZ e Toyota GT-86 - arretramento e abbassamento baricentro motore rispetto al classico posizionamento in vettura delle Subaru a causa della trazione integrale di queste ultime - immagine tratta da video Toyota su Autoblog.it

La ricerca del massimo piacere di guida, ottenuta con l’abbassamento il più possibile di tutti gli organi meccanici, è dimostrata dal caso di Subaru che ha posizionato il motore e il pilota il più possibile vicino a terra, in questo caso a 400mm da terra, come si può notare nella seguente immagine di Figura 2.55:

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Figura 2.55 - Subaru BRZ e Toyota GT-86 - Posizionamento seduta guidatore – immagine tratta da video Toyota su Autoblog.it

Anche in questo caso Subaru e Toyota sono dovuti scendere a compromessi per mantenere il prezzo dell’auto il più basso possibile (intorno ai 30’000€), quindi si è utilizzato un sistema di scarico unico con schema analogo a quello delle altre Subaru, ma col vantaggio dell’assenza della turbina, come si può notare dalle immagini di Figura 2.56 e Figura 2.57:

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Figura 2.57 - Subaru BRZ - spaccato vista laterale dal sito blog-moteur.com

2.7. PORSCHE

Limitando i modelli della casa alla 911 in tutte le sue declinazioni si potrebbe affermare, semplificando, che le 911 sono delle Subaru a 6 cilindri con posizionamento speculare: troviamo infatti il motore al posteriore a sbalzo con la trasmissione tra i due strapuntini posteriori e, nel caso delle versioni a trazione integrale, differenziale centrale e albero di trasmissione che portano il moto lungo l’asse anteriore dove si trova il differenziale anteriore con relativi semiassi. Il vantaggio di Porsche rispetto a Subaru è l’utilizzo (auto evidentemente ben più costose) di un motore 6 cilindri boxer con due turbocompressori, uno per bancata con relativo sistema di scarico posizionato ai lati, dietro i passaruota posteriori; senza quindi avere il sistema di scarico di una bancata che portano i gas di scarico dall’altra parte del veicolo tramite una tubazione al di sotto del veicolo. Tutto ciò permette a Porsche di posizionare particolarmente in basso gli organi meccanici con il solo vincolo del posizionamento dei due semiassi posteriori. La Figura 2.58 con vista da sotto mostra la disposizione meccanica così come la Figura 2.59 con vista dalla parte posteriore.

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Figura 2.58 - Porsche 911 serie 997 dettaglio meccanica trazione integrale - Immagine Press Release Porsche 2005

Figura 2.59 - Porsche 911 attuale, serie 992, dettaglio powertrain posteriore con turbine simmetriche, una per lato - Dal sito km77.com

Sia a livello di sovralimentazione che di sistema di scarico Porsche non ha problemi ricorrendo ad un sistema di scarico per bancata che si ricollega dietro al motore, sulla parte terminale dell’auto, all’interno di un unico silenziatore come visibile in Figura 2.59 e Figura 2.60.

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Figura 2.60 - Porsche 911 serie 997 dettaglio del motore con sistema di scarico - Da sito km77.com

A livello di trazione integrale abbiamo detto che lo schema assomiglia molto a quello di Subaru, ovviamente con il senso di marcia invertito. Le versioni a trazione integrale dispongono di un albero di trasmissione che dal cambio porta il moto alle ruote anteriori come visibile in Figura 2.58 e in Figura 2.61

Nella parte anteriore dell’albero di trasmissione si trova il differenziale centrale visibile in spaccato nella Figura 2.61 che ripartisce la coppia da trasferire all’asse anteriore tramite il differenziale anteriore che ripartisce la coppia sui semiassi anteriori.

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Figura 2.61 - Porsche 911 serie 997 dettaglio differenziale centrale e differenziale anteriore - Immagine da km77.com

Per quanto concerne i cambi la 911 Porsche utilizza sull’attuale generazione, denominata 992 un nuovo cambio a doppiafrizione a 8 marce prodotto da ZF; sarà disponibile per alcune varianti anche il cambio manuale a 7 marce già utilizzato sulla precedente generazione del modello, la serie 991. Su questa precedente 911, infatti, Porsche aveva fatto debuttare questo cambio manuale a 7 marce così come un cambio automatico a doppiafrizione sempre a 7 marce realizzato partendo dal medesimo progetto comune; i due cambi disponevano della medesima scatola in alluminio e di molti componenti condivisi, oltre ad essere realizzati sulla medesima linea produttiva; ciò permetteva di ottimizzare i costi di sviluppo e di produzione, oltre a rispondere prontamente alle scelte produttive e di mercato. (Sherman, 2012). Nella seguente Figura 2.62 ci si rende facilmente conto delle analogie e comunanze dei due cambi.

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Figura 2.62 - Porsche 911 serie 991 cambio modulare ZF a 7 marce sia in versione MT7 che WDCT7 - Immagine da Caranddriver.com

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2.8. FERRARI

Figura 2.63 - Meccanica Ferrari F12 con motore completamente dietro l'asse delle ruote anteriori in configurazione "anteriore-centrale" - immagine tratta dal sito www.shutterstock.com

Le Ferrari a trazione posteriore con motore anteriore hanno da sempre avuto il motore completamente dietro l’asse delle ruote anteriori, come visibile in Figura 2.63, e con cambio al retrotreno, configurazione transaxle.

Con California ed FF fa il suo debutto sulla berlinetta di Casa Ferrari il cambio a doppiafrizione sviluppato da Ferrari a 7 marce e realizzato da Getrag che ha permesso, grazie all’ingresso dell’albero al di sotto del centro delle ruote posteriori, l’abbassamento del baricentro. Questa nuova trasmissione ha permesso addirittura l’eliminazione del classico tubo rigido nel quale gira l’albero motore con l’olio che, sino alla F599GTB, collegava rigidamente motore e cambio. In questo modo si è anche riusciti a separare i modi di vibrare del cambio dal motore e viceversa, così da utilizzare boccole specifiche aumentando la risposta del motore, il comfort e minimizzando i movimenti dei componenti.

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Non avendo più questo “tubo” gli ingegneri hanno potuto migliorare l’abitabilità interna o, a parità di spazio per i passeggeri, ridurre la larghezza del veicolo, come penso sia avvenuto, con ricadute positive sull’aerodinamica e, al tempo stesso, hanno potuto posizionare il motore più in basso. Il risultato sono quei 25 millimetri di abbassamento del baricentro, un risultato molto importante ottenuto, non ultimo, dall’abbassamento del serbatoio, anche questo ottenuto grazie al cambio più basso e più spostato indietro.

Forse, ma è tutta da verificarne la fattibilità, si sarebbe potuto spostare il serbatoio poiché sulla F12 risulta essere in posizione rialzata nella parte più vicina all’abitacolo del vano di carico come si vede in Figura 2.64 e Figura 2.65.