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Tecnica

pubblicato il 11 marzo 2011

Ferrari FF, come funziona il sistema 4RM

Storia e possibile futuro della trazione integrale brevettata a Maranello

Ferrari FF, come funziona il sistema 4RM
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La Bugatti EB110 "emiliana", uscita cioè dalle officine di Campogalliano (MO) per iniziativa di Romano Artioli. Curioso che entrambi i marchi siano poi finiti nelle mani dello stesso gruppo, il tedesco Volkswagen.

SE VOGLIAMO RIVEDERE LA STORIA IN MODO INTEGRALE...
La FF è la prima Ferrari ufficiale dotata di trazione integrale, ma la realtà è che Forghieri provò a installare la trazione sulle quattro ruote in due modi e in due momenti diversi. Il primo riguardò una monoposto di Formula 1, la 312B3 soprannominata "spazzaneve", il secondo è costituito dalla 408/F117 del 1987, prototipo di sportiva con motore V8 centrale longitudinale con concetti innovativi per la scocca, la disposizione degli organi meccanici e - appunto - per la trazione integrale. Il sistema ideato da Forghieri impiegava, integrato nel cambio, un meccanismo a ingranaggi epicicloidale che ripartiva circa il 71% della coppia alle ruote posteriori e il restante a quelle anteriori. Per controllare e limitare il cambio della ripartizione, recuperando slittamento, c'era una piccola frizione idraulica a sovrapposizione. L'elettronica non esisteva e il peso di questo sistema fu giudicato eccessivo per una sportiva, ancora di più perché le auto allora pesavano assai meno di ora.

TRAZIONE INTEGRALE? VADE RETRO!! ANZI NO...
La Ferrari ha sempre giudicato la trazione integrale troppo pesante per un'auto sportiva. Dunque cosa è successo per fargli cambiare idea? La prima ragione è il mercato, soprattutto di fronte alla crescente importanza dei contesti emergenti dove le condizioni climatiche e della rete stradale consigliano vivamente la trazione integrale: si pensi alla Cina, ma anche al Brasile e paesi del Medioriente dove Ferrari ha molti estimatori, ma anche importanti interessi finanziari. Va detto che nel segmento delle 2+2 con motore a 12 cilindri da tempo le Ferrari soffrivano la concorrenza delle Bentley Continental GT, più spaziose e versatili in virtù di uno volumetria interna superiore e della trazione integrale. Avere una Ferrari e non poterci andare a sciare è una bella scocciatura. La seconda ragione è aver intravisto la possibilità di realizzare un sistema davvero Ferrari, dunque progettato in casa, realizzato su misura e non ricavato da soluzioni standard come il differenziale Torsen o di altro tipo, e i vari tipi di giunto: da quello viscoso alle varie frizioni idrauliche o elettromagnetiche che troviamo su altre vetture sportive. C'è probabilmente anche una terza ragione, ma ve la diremo dopo avervi spiegato come funziona il sistema 4RM (4 Ruote Motrici) brevettato da Ferrari.

IL 4RM HA DUE DIFFERENZIALI IN MENO E DUE FRIZIONI IN PIÙ
A Maranello ci lavorano da qualche anno e ad essersene occupato è l'ingegner Franco Cimatti, un veterano della Ferrari e responsabile dell'Impostazione Veicolo, che ha avuto l'idea del 4RM rifacendosi in parte proprio al sistema che Forghieri sperimentò sulla 408. Tutti i sistemi di trazione integrale adottano un differenziale per assale e uno centrale oppure, in alternativa, un giunto multidisco o a lamelle. I primi servono a bilanciare le differenti velocità di rotazione tra ruota interna e ruota esterna, eventualmente anche a ripartirvi la coppia. Il differenziale/giunto centrale fissa invece il bilancio iniziale della coppia tra i due assali e anche i limiti entro i quali ripartirla: nel caso di differenziali valgono i rapporti e le caratteristiche degli ingranaggi, nel caso di giunti il progettista sceglie il grado di slittamento e il modo in cui deve modificarsi, da solo o sotto l'egida dell'elettronica. L'assegnazione della coppia per ogni ruota è dunque il frutto di due meccanismi distinti che hanno i loro tempi di reazione e il loro (consistente) peso. Il sistema Ferrari usa il già noto differenziale posteriore elettronico e-diff e fa invece a meno sia del differenziale centrale sia di quello per le ruote anteriori. In che modo? Prendendo il moto direttamente dalla parte frontale dell'albero motore, facendolo passare per gli ingranaggi di riduzione della cosiddetta PTU (Power Transfer Unit) e trasmettendolo infine a ciascuno dei due semiassi con l'interposizione di una frizione multidisco elettroidraulica a bagno d'olio per lato. Della Marelli è la parte elettroidraulica (con relativo impianto e pompa ad azionamento elettrico), la PTU è costruita dalla Carraro e l'elettronica di controllo è della Bosch.

DAL MOTORE A OGNI RUOTA ANTERIORE
I vantaggi di questa soluzione sono molteplici a cominciare dalla disposizione. La PTU e le frizioni infatti sono raggruppate tutte sotto il V12, nella parte anteriore e pesano solo 45 kg. In questo modo non si appesantisce la vettura e non viene avanzato il baricentro, mantenendo al 47% la massa che grava sulle ruote anteriori. L'altro vantaggio sta nella gestione della coppia che, piuttosto che avvenire longitudinalmente e trasversalmente in modo separato, agisce su ogni singola ruota anteriore. Una ruota posteriore slitta? Su qualsiasi altro sistema, prima agisce il differenziale in asse, poi quello centrale, che sposta coppia sull'avantreno, e infine quello anteriore. Nella stessa situazione al 4RM basta invece chiudere progressivamente le due frizioni anteriori quel tanto per recuperare trazione decidendo anche su quale lato dare più coppia. La velocità di trasferimento della coppia alla ruota desiderata avviene dunque con una sola azione riducendo i tempi del 30%. Non si può dunque più parlare di ripartizione della coppia tra avantreno e retrotreno, ma tra retrotreno e ciascuna delle ruote anteriori. In ogni caso, la quantità assegnata virtualmente alle ruote anteriori è molto limitata. Gli uomini Ferrari non danno cifre precise, ma si supera di poco il 20%. E basta dare uno sguardo alla sezione dei semiassi anteriori della FF per accorgersi che dicono il vero. Analogamente a quanto accade anche su altri sistemi di trazione integrale a controllo elettronico, il 4RM "carica" le frizioni in fase di partenza per prevenire fenomeni di slittamento. L'interposizione di un meccanismo di riduzione tra motore e frizioni è dovuto alla necessità di separare le forze che si creano al momento dell'innesto e di rendere quest'ultimo il più morbido, progressivo ma anche veloce possibile.

LEGGERO NEL PESO E NELL'AZIONE
L'integrazione con il differenziale posteriore attivo e con il controllo di stabilità F1-Trac consente di sfruttare la coppia anche per migliorare la direzionalità della vettura. Su una 458 o una Fiorano, in caso di accesso di sottosterzo, l'e-diff dà più coppia alla ruota posteriore eterna per recuperare la traiettoria. Con la possibilità di dare coppia alle ruote anteriori, quest'azione può essere completata agendo sulle frizioni in modo selettivo, ma sempre con misura. Consegna assoluta da parte degli uomini Ferrari era infatti quella di non modificare la risposta dello sterzo come invece avviene su tutte le trazioni integrali, solitamente affette da sottosterzo in ingresso di curva, lentezza di risposta e, al limite, anche reazioni al volante. Problemi comuni alle trazioni anteriori dovuti alla necessità delle ruote direzionali di dover governare simultaneamente due forze: quelle della trazione e quelle della sterzata. Anche per questo la 4RM è una trazione integrale "di appoggio" e le frizioni non si chiudono mai completamente. Per fare questo occorrerebbe un ingranaggio capace di armonizzare la velocità di rotazione tra assale anteriore e posteriore, ma saremmo nuovamente di fronte a un sistema classico con tutti gli annessi del caso in termini di massa. In Ferrari invece hanno impostato il complesso PTU/frizioni come un sistema che controlla lo slittamento e che interviene quindi, in modo predittivo, solo in situazioni limite di aderenza, in accelerazione e per il tempo minimo indispensabile. Nelle intenzioni degli ingegneri Ferrari la FF deve rimanere, nei fatti e nei comportamenti, una trazione posteriore. Un po' spuria, ma essenzialmente posteriore.

DALLO SPURIO ALL'IBRIDO
La terza ragione ora ve la possiamo dire ed è la seguente: questo sistema di trazione integrale è ideale per applicazioni ibride, tema che sta a cuore alla Ferrari per ridurre i consumi e le emissioni. Vero è che lo schema proposto sul prototipo HY-KERS è radicalmente diverso, ma a Maranello stanno pensando ad altri e almeno due di questi prevedono l'utilizzo di due motori elettrici anteriori, uno per ogni ruota. La soluzione con un solo motore elettrico fissato dietro il cambio offre infatti alcune controindicazioni. La prima è legata alla massa considerevole sistemata troppo lontana dall'asse di imbardata, la seconda all'allineamento nel resto della catena cinematica, sia nelle fasi di spinta che di recupero dell'energia in rilascio. Ci vorrebbe infatti almeno una frizione per gestire la combinazione motore termico-elettrico aggiungendo peso. Molto meglio invece tenere separata la parte meccanica da quella elettrica. Non a caso molti costruttori pensano a sistemi ibridi che realizzano la trazione integrale attraverso l'aggiunta di un motore elettrico e senza collegamento meccanico tra i due assali. Si può quindi immaginare una coppia di motori elettrici, di dimensioni medio-piccole, sistemati al posto delle frizioni anteriori che spingono le loro rispettive ruote, secondo le logiche assegnate dall'elettronica per garantire trazione e mantenimento della traiettoria, e si trasformano in strumenti di recupero di energia in rilascio e ancora di più in frenata. Naturalmente, questi motori elettrici potrebbero spingere da soli la vettura a bassa andatura in modo da lasciare a riposo il V12 in condizioni per lui svantaggiose come il traffico in città. Con questa soluzione inoltre si manterrebbe la massa più concentrata verso il centro della vettura.

L'EVOLUZIONE DELLA SPECIE
A domanda, naturalmente gli uomini Ferrari fanno spallucce, negano o al massimo abbozzano un sorriso. Di sicuro però stanno già pensando a un'evoluzione del 4RM. Le frizioni da elettroidrauliche potrebbero facilmente diventare elettromagnetiche, la PTU completata da una frizione di disinserimento o da un sistema che varia il rapporto di riduzione. Il tutto per migliorare tempi e modalità di intervento delle ruote anteriori. Per ora il 4RM serve essenzialmente a rendere più facile da manovrare la vettura in situazioni di bassa aderenza, un domani potrebbe fare qualcosa di più per la dinamica della vettura. L'integrazione con i futuri sistemi ibridi invece è più di un'ipotesi perché è la più efficiente a livello meccanico e di pesi rispondendo agli obiettivi di Ferrari di aggiungere almeno un CV per ogni kg dovuto all'elettrificazione. Ma c'è un altro obiettivo in Ferrari, oltre quello della riduzione delle emissioni, legato all'ibridizzazione ed è lo sfruttamento del motore elettrico per regolarizzare l'erogazione di quello termico. Per questo è probabile che i due motori elettrici anteriori, secondo lo schema prima descritto, possano avere un terzo compagno sistemato più vicino alla catena cinematica classica. Anche in questo, mancano sul mercato componenti idonei. Perciò, così come accaduto per il 4RM, siamo sicuri che a Maranello stanno studiando qualcosa di speciale.

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Ferrari FF - Il sistema di trazione integrale 4RM

Il video ufficiale del funzionamento del sistema di trazione integrale 4RM della Ferrari FF, la prima supercar 4x4 del Cavallino Rampante.

Autore: Nicola Desiderio

Tag: Tecnica , Ferrari , auto italiane , auto ibride


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