Dentro la rivoluzione firmata Brembo: niente fluido freni con SENSIFY

Un impianto disaccoppiato, decentralizzato e con capacità di torque vectoring: l’intervista ai responsabili tecnici dell'‘ecosistema’ frenante

“Si tratta di un punto di svolta all’interno dell’impianto frenante, tanto che noi lo chiamiamo un ecosistema, perché non è più soltanto un gruppo disco, pinza, pastiglia, ma comprende  motore elettrico e un software che integra il tutto. L’interesse è in tutti i continenti. Non c’è una zona del mondo a cui la soluzione non sia piaciuta. Tutti si stanno spostando in futuro verso l’idea di un sistema distribuito come questo”. Così Alessandro Monzani, Head of System Technical Development in Brembo, riassume l’ultima innovazione dell’azienda italiana leader mondiale nel campo degli impianti frenanti. SENSIFY si presenta come un sistema, o meglio ecosistema, privo di elettrovalvole e soprattutto del fluido idraulico di trasmissione dal pedale al freno, se non a livello locale esclusivamente nelle applicazioni sportive. L’attuazione delle pinze è invece delegata a motori elettrici lineari, indipendenti l’uno dall’altro e ciascuno controllato da una centralina dedicata. L’impianto costituisce così un’estremizzazione del concetto di brake-by-wire, ma a dispetto di un’idea apparentemente semplice il progetto incarna un eccezionale traguardo ingegneristico. I benefici sono molteplici, dalla prestazione all’autonomia, dalla sicurezza all’impatto ambientale, passando per il costo totale di mantenimento del veicolo, promettendo così di rivoluzionare l’architettura frenante del parco auto nel medio termine.

Alessandro Ciotti, Chief R&D Officer per Brembo S.p.A, spiega in che modo Sensify si differenzi da un sistema brake-by-wire di stampo tradizionale, quale quello impiegato in Formula 1: “I primi sistemi by wire arrivano in Formula 1 negli anni ’90, ad esempio sulla McLaren  e sulla Williams con le sospensioni attive. Concettualmente però sono molto differenti. Il sistema Sensify prevede un motore elettrico per ogni pinza, quindi su ogni ruota. Che poi ci sia una parte puramente elettromeccanica o un sistema elettroidraulico è una questione di convenienza per il layout, la geometria e gli ingombri. In ambito Formula 1 invece, il sistema prevede di sfruttare come sorgente energetica l’impianto idraulico centralizzato, dedicato anche ad altri organi come il cambio, impiegando delle elettrovalvole per modulare la forza frenante necessaria. Pertanto, in ambito racing in generale non si ricorre a un motore elettrico per l’attuazione, bensì alla pressione del circuito idraulico”. Sensify si pone piuttosto come un sistema distribuito, dove non vi è un attuatore unico che tramite l’idraulica centrale comanda due o più pinze. Al contrario, ogni freno è gestito in maniera indipendente. “Il sistema è disaccoppiato, decentralizzato, quindi con un motore per ogni ruota, e privo di elettrovalvole solenoidali”, aggiunge Monzani. “L’idraulica in Sensify, quando presente, è locale ed è attuata da un motore e una trasmissione lineare. Ciascun gruppo ruota inoltre ha la propria centralina e il proprio software. L’architettura include anche un simulatore del pedale del freno: il conducente va ad agire con una corsa e una forza, inviando dei segnali alle centraline elettroniche che poi attuano i singoli motori”.

Si può facilmente intuire come l’attuazione separata delle singole pinze consenta una ripartizione illimitata della coppia frenante sulle quattro ruote, di fatto estendendo alla fase di frenata le logiche di torque vectoring già implementate sui veicoli elettrici a quattro motori: “È un sistema con quattro ruote indipendenti”, prosegue Monzani. “Tutta la dinamica del veicolo, sia laterale che longitudinale, quale può essere il torque vectoring, è implementata di default, è intrinseca nell’architettura stessa, che fa in modo da controllare ogni singola ruota nella maniera desiderata. È vero che si possono attuare determinate manovre di torque vectoring anche in un sistema centralizzato, ma è un’imposizione, perché di standard il layout centralizzato lavora per diagonali oppure per bianco e nero e quindi non agisce su ogni ruota in maniera differente”. Lo sfruttamento dell’impianto frenante per imprimere coppie sterzanti al veicolo, logica alla base dei controlli elettronici di stabilità, è già presente negli impianti frenanti tradizionali provvisti di un circuito idraulico. Come spiega Alessandro Ciotti però, in quei casi le strategie di controllo sono fortemente limitate: “La pressione nel circuito idraulico in quei casi è costante su anteriore e posteriore, mentre le dimensioni delle pinze determinano la ripartizione di frenata, che è quasi un valore fisso, mentre con sistemi elettronici come ESB a ABS si cerca di modulare generalmente l’impianto posteriore”.

“Con Sensify qualunque curva o manovra può essere affrontata con un equilibrio ottimale delle forze sulle quattro ruote, che possono essere anche differenti tra loro”, prosegue Ciotti. “Il concetto è quello del torque vectoring: cambio una coppia e una forza a terra in modo ottimale, che in questo caso non è di trazione bensì di frenata. Non solo, ma è anche adattabile: se riconosco che il veicolo è a pieno o mezzo carico, non c’è bisogno che il conducente prema il pedale con più decisione, perché la regolazione della forza è automatica”. Proprio l’auto-regolazione della forza frenante è uno dei tanti punti di forza del sistema, su cui possono essere implementate numerose strategie di controllo: “La richiesta di decelerazione al pedale viene recepita dalla centralina e sulla base delle logiche di controllo questa viene tradotta in forza frenante sulle varie ruote, che può essere omogenea o ripartita, a seconda della manovra, delle condizioni dell’asfalto, del veicolo e altro ancora. Le logiche di controllo possono essere le più svariate possibili. La frenata così è più vicina possibile a quella desiderata dal conducente, senza trovarsi a ‘inseguire’ lo stato del veicolo, i cui freni ad esempio possono essere freddi oppure perché si viaggia a pieno carico quando in genere si marcia a vuoto”.

Oltre alla modulazione della coppia frenante, un altro grado di libertà è la gestione delle due componenti che contribuiscono a raggiungere la forza desiderata.  “La decelerazione richiesta può essere raggiunta sia tramite la rigenerazione al motore elettrico che dal freno, quindi da Sensify”, sottolinea Monzani. “Ci sono delle logiche per stabilire quanto rigenerare e ricaricare la batteria e quanto invece attuare il freno. L’obiettivo è che questo blending, così viene chiamato, venga reso il più dolce possibile, senza percepire la differenza tra i due contributi frenanti. Il vantaggio nell’avere un sistema completamente disaccoppiato, indipendente su ogni ruota e nel caso di Sensify privo di elettrovalvole, è la possibilità di regolare la frenata in modo continuo, senza degli step e dei salti di pressione da comandare. Perciò si riesce ad essere il più precisi possibile nel dare alla ruota la forza necessaria in quel momento”. L’attuazione della singola pinza ad esempio può prendere in considerazione la temperatura istantanea del disco, così da ottimizzare le prestazioni in frenata sulle vetture supersportive. La stessa strategia di controllo può essere reinterpretata però in chiave ecologica o di sicurezza sui veicoli urbani. “Immaginiamo la possibilità di monitorare in modo costante le temperature dei freni, da cui dipende fortemente l’usura delle pastiglie”, aggiunge Monzani. “Se i freni anteriori fossero troppo caldi e si volesse diminuire l’inquinamento causato dal materiale d’attrito, con un sistema disaccoppiato e intelligente si può ridistribuire la frenata sul posteriore e raffreddare l’avantreno. Questo è valido per tutte le tipologie di vetture, dalle sportive alle utilitarie”.

I vantaggi dell’ecosistema frenante vanno però ancora oltre. In primo luogo, il time-to-lock, ossia il tempo necessario a raggiungere la massima coppia frenante, si aggira tra i 100 e i 120 ms, la metà di un sistema tradizionale. “La reattività di risposta è richiesta con sempre più importanza quando i sistemi vanno verso la guida autonoma”, commenta Monzani. Alle già citate logiche di torque-vectoring e alla ripartizione continua di frenata, tra i vantaggi si aggiunge anche la minora coppia residua e l’usura dei materiali d’attrito: “Avere le ruote indipendenti porta a gestire singolarmente le temperature dei freni e quindi a ridurre l’inquinamento dovuto alle polveri. Inoltre, gestendo le temperature, si va a limitare il consumo del materiale d’attrito, a beneficio di un costo di mantenimento del veicolo inferiore. Se si pensa a una pinza attuata elettricamente, si può gestire millimetricamente la posizione della pastiglia rispetto al disco. Questo va a contenere anche la coppia frenante residua, andando sotto lo 0.5 Nm. Così facendo si va ad estendere l’autonomia del veicolo o, quantificandola bene, può essere mantenuta costante ma con una batteria più piccola. Il tutto rappresenta un ulteriore riduzione del costo, sia per il costruttore che per il cliente”. Da non trascurare nemmeno i benefici in termini di comfort assicurati da Sensify: “Se vi fossero dei sensori appropriati sul corner ruota, teoricamente si potrebbe capire quale freno stia fischiando. Si potrebbe quindi rilasciare brevemente il freno responsabile del rumore e procedere con i tre rimanenti. Anche la gestione dei rumori dunque è semplificata”.

L’impianto Sensify nasce come una piattaforma declinabile in diverse versioni. Tra queste, nelle applicazioni ad uso sportivo può essere previsto anche un attuatore elettroidraulico, come illustra Monzani: “Possiamo avere diverse configurazioni. Si può andare da un sistema wet localmente idraulico, in cui ogni pinza ha un attuatore idraulico in prossimità, ad uno completamente asciutto dove non vi è alcun fluido freni, il motore inserito sulle pinze agisce su una catena di ingranaggi e tramite una trasmissione lineare arriva a spingere la pastiglia sul disco. Le architetture sono diverse perché il parco veicoli è vario. Su vetture supersportive, con dischi da 390-400 mm di diametro e con necessità di pastiglie da 100-150 cm², la miglior soluzione è una pinza fissa in alluminio azionata da un attuatore idraulico lì in prossimità, sebbene non integrato. Quando parliamo invece di una pinza completamente dry, a secco, allora il motore e la cascata di ingranaggi sono integrati dentro la pinza stessa. Se il sistema è dry viene meno il fluido freni, che sparisce così dallo stabilimento del costruttore e allo stesso tempo ne evita il ricambio al cliente finale. Il tutto, va a ridurre il costo totale di mantenimento del veicolo”.

L’attuatore elettroidraulico anteriore dell’impianto Sensify

Di grande complessità è la parte software ed elettronica dietro all’hardware meccatronico di Sensify. Sono ben quattro infatti le centraline che comandano e modulano i singoli attuatori, a cui si aggiunge la centralina principale che riceve e interpreta la richiesta di decelerazione al pedale. “Bisogna fare una differenza tra le centraline che gestiscono le logiche di veicolo e quelle che operano gli attuatori”, sottolinea Monzani. “Non è detto che ogni centralina debba avere lo stesso grado di complessità e quindi inglobare tutte le funzioni. Una delle nostre architetture base ha quattro centraline: due gestiscono sia l’attuatore che le dinamiche di veicolo, mentre le altre soltanto gli attuatori”.  L’abbondanza di centraline si sposa con il concetto di ridondanza, fondamentale per garantire la sicurezza in un sistema di base sprovvisto di idraulica centrale:  “Il sistema è progettato per sposarsi con una guida autonoma superiore all’L3+, si parla quindi di L4 ed L5. Avendo quattro centraline, con un guasto su una ne restano comunque tre attive. Se perdo anche una seconda centralina, avrò comunque due ruote attive”. Gli fa eco Alessandro Ciotti: “A differenza degli impianti tradizionali, il sistema è già pensato per la guida autonoma, motivo per cui anche in caso di un guasto, il veicolo deve essere in grado di svolgere autonomamente la maggior parte delle manovre con la maggior prestazione possibile. Al giorno d’oggi invece, in caso di guasto il conducente al limite si ferma e chiama l’assistenza. Su un sistema evoluto come Sensify, è previsto che anche in caso di guasto si arrivi a destinazione, un po’ come sugli aeroplani”.

Monzani spiega come la possibilità di arrestare il veicolo anche in caso di guasto elettronico è garantita dalla doppia alimentazione degli attuatori: “È presente una doppia alimentazione, perché altrimenti, nel caso se ne perdesse una, verrebbe meno tutto il sistema. Ovviamente ci deve essere una ridondanza di batterie, ma all’interno delle centraline c’è un interruttore automatico, così che tutte e quattro possano avere una doppia alimentazione e passare sulla seconda”.  Una tendenza che rispecchia l’attuale panorama industriale, a detta di Ciotti:  “Questo va in parallelo con quella che è l’evoluzione elettrica ed elettronica dei veicoli. L’uso delle centraline e la doppia alimentazione non riguarda solamente l’impianto frenante, ma tanti altri sistemi, perché devono avere una ridondanza di questo tipo. Questo perché persino con la guida autonoma L3 o L3+, dove anche solo per qualche secondo è permesso che il conducente sia distratto, non c’è qualcuno che immediatamente si sostituisca alla servoassistenza. Si tratta di sistemi ADAS evoluti, senza arrivare alla guida autonoma completa, che è ancora distante”. Per le versioni provviste di idraulica locale inoltre, è predisposta un’ulteriore soluzione di back-up per la sicurezza: “Nelle configurazioni di Sensify provviste di attuatori elettroidraulici, quindi dove l’attuatore non è attaccato direttamente alla pinza tramite un sistema meccanico, ma c’è un piccolo circuito idraulico, questo permette di avere una linea di back-up idraulica collegata anche al pedale. Ma è una soluzione transitoria, per poter applicare un concetto Sensify e godere dei suoi vantaggi su veicoli con un’architettura elettrica ed elettronica più tradizionale. I primi che usciranno avranno qualcosa di simile”.

Alessandro Ciotti, Chief R&D Officer per Brembo S.p.A

Alessandro Ciotti racconta inoltre come la piattaforma Sensify sia il risultato di un lavoro decennale portato avanzi dall’azienda italiana: “Brembo aveva già iniziato una ventina d’anni fa a occuparsi di sistemi by wire, con cui si intende un sistema elettroattuato, dove al posto di avere la manovra fatta direttamente dal conducente si ha qualcosa che non solo aiuti, come può essere una servoassistenza, ma che faccia qualcosa proprio al posto del conducente, in questo caso un attuatore per una pinza. Il vero e proprio Sensify nasce come attività di ricerca una decina d’anni fa, quando si iniziavano a vedere i primi sistemi by wire che andavano a sostituire la pompa del servofreno con una elettroattuata. Si trattava però comunque di un sistema centralizzato e lontano dalle pinze. L’idea è stata vedere cosa succedesse nel caso in cui l’attuazione, al posto di essere sulla pompa, fosse stata attaccata alle pinze stesse. Lo pensavamo già come un’evoluzione naturale di un sistema by wire centralizzato, da cui siamo passati a un by-wire distribuito, quale tecnicamente è il sistema Sensify”. Una tappa importante di questo percorso è stato il progetto EVC1000, finanziato per oltre cinque milioni di euro dall’Unione Europea. L’iniziativa coinvolge un consorzio di dieci aziende per sviluppare tutta la componentistica del veicolo, dall’impianto frenante alle sospensioni attive elettromagnetiche, per controllare efficientemente la vettura in ogni suo aspetto al fine di raggiungere un’autonomia di 1000 chilometri. Racconta Ciotti: “Nel progetto EVC1000 abbiamo applicato un concetto simile a Sensify su un veicolo sviluppato insieme ad Audi e altre case, con l’obiettivo di dimostrare che fosse possibile raggiungere oltre i mille chilometri di autonomia. Con Sensify, con l’ottimizzazione della frenata rigenerativa si dà un contributo in questo senso”. EVC1000 inoltre verte attorno a un veicolo con i motori alloggiati direttamente all’interno del gruppo ruota. Sensify procede dunque nella direzione dell’auto del futuro, in cui si prevedono moduli di controllo indipendenti per ogni ruota, comprendenti elettronica di potenza, motore elettrico e impianto frenante, come conferma Ciotti: “La direzione è quella. Magari non necessariamente con il vincolo del motore interno ad ogni corner, ma comunque un motore di trazione dedicato a ciascuna ruota, con abbinato il suo sistema by-wire per il freno. È nella logica evoluzione dell’architettura”.

Alessandro Monzani, Head of System Technical Development per Brembo S.p.A

Allo stato attuale Sensify non è più un progetto in mano al reparto R&D di Brembo, ma è entrato nella fase applicativa e destinato a breve a diffondersi nell’industria automobilistica, dopo aver già svolto svariati test su strada. Il progetto infatti è adesso preso in mano da un punto di vista applicativo, con l’obiettivo di diventare realtà nell’arco di due anni. Monzani riassume così quella che è stata ed è tutt’ora l’avventura Sensify per Brembo: “Come tutte le cose è LA sfida. Già solo arrivare a deliberare i progetti e a realizzare un prototipo funzionante è una bella sfida. Devi uscire dal tuo ambito di costruttore di freni e arrivare a parlare di meccatronica e software. La prima sfida dunque è stata l’evoluzione di tutte le competenze. Brembo adesso si posiziona come un’azienda che si occupa anche di freni, ma che si sposta sempre di più in altri campi. L’obiettivo adesso è industrializzare il tutto, per andare in serie tra la fine del 2024 e l’inizio del 2025”.