1.

Introduzione

Automobile Veicolo autopropulso con più di due ruote, dotato di un piccolo vano interno, in cui sono predisposti un posto guida per il conducente, affiancato da un posto per il passeggero, più, solitamente, almeno due sedili posteriori. Comunemente il termine viene usato come sinonimo di autovettura, che secondo la legislazione italiana vigente è un “veicolo stradale a motore, con quattro ruote, destinato al trasporto di un numero massimo di nove persone, compreso il conducente”.

I veicoli di maggiori dimensioni, progettati per un numero più alto di passeggeri, sono chiamati autobus, mentre quelli adibiti al trasporto di merci sono detti autocarri. Il termine autoveicolo include tutti i mezzi sopraelencati, oltre ad alcuni veicoli specializzati, di impiego civile o militare.

2.

Componenti principali

Gli elementi che compongono un’automobile (esclusa la carrozzeria) sono l’apparato propulsore, gli organi di trasmissione, il treno di rotolamento e il sistema di guida. Nelle automobili del passato e in tutti gli autoveicoli pesanti le varie parti sono fissate a un telaio rigido, o struttura portante, e costituiscono il cosiddetto autotelaio, sul quale è montata la carrozzeria. Nella maggior parte delle automobili moderne, mancanti di telaio e dette “a carrozzeria (o a scocca) portante”, tutte le parti sono fissate alla carrozzeria stessa, che in genere è rinforzata da traverse d’acciaio nella parte inferiore (pianale).

1.

Apparato propulsore

L’apparato propulsore comprende il motore e l’impianto di alimentazione del combustibile, il carburatore, l’impianto di accensione, il sistema di lubrificazione e di raffreddamento e il motorino di avviamento.

1.1.

Motore

La quasi totalità delle automobili adotta motori a combustione interna, fra i quali prevalgono i motori alternativi a ciclo Otto e a ciclo Diesel. A partire dai primi anni Settanta sono state prodotte anche automobili con motori rotativi. Tutti i motori per automobili sono alimentati da una miscela carburante-comburente, dove il comburente è sempre l’ossigeno atmosferico, mentre il carburante dipende dal ciclo impiegato; può essere liquido (benzina, oppure una miscela di alcol e benzina) o gassoso (GPL, oppure metano) nei motori a ciclo Otto, mentre è sempre gasolio nei motori diesel.

Il classico motore alternativo (detto anche motore a pistoni) a quattro tempi richiede quattro corse alternate del pistone, due discendenti e due ascendenti, per compiere le quattro fasi del ciclo termodinamico. La prima corsa discendente (fase di aspirazione) crea nel cilindro una depressione che provoca l’aspirazione della miscela carburante-comburente, che viene quindi compressa durante la prima corsa ascendente (fase di compressione). La seconda corsa discendente (fase di combustione ed espansione) è determinata dalla spinta che il pistone riceve dalla massa dei gas ad alta temperatura in espansione, prodotti dalla combustione della miscela; la seconda corsa ascendente (fase di scarico) consente infine l’evacuazione dei gas combusti.

Le valvole di ammissione e di scarico presenti alla sommità del cilindro regolano l’aspirazione della miscela e l’espulsione dei gas residui. Al termine dell’espansione la pressione dei gas di combustione raggiunge valori compresi fra 2,8 e 3,5 kg per cm². Questi gas escono quindi dal cilindro con violenza quasi esplosiva quando la valvola di scarico si apre improvvisamente; dopo essere passati attraverso il collettore di scarico, i gas vengono immessi nel silenziatore, dove si espandono prima di essere rilasciati nell’atmosfera.

La continuità di erogazione della potenza e la maggiore fluidità di azione del motore a quattro tempi si sono ottenute grazie allo sviluppo del motore a quattro cilindri, sincronizzati in modo che uno di essi sia sempre in fase attiva (cioè nella fase di combustione ed espansione). Un ulteriore aumento di potenza e di fluidità si ottiene con i motori a 6, 8, 10, 12 e 16 cilindri, disposti su una sola fila (motori in linea) o su due file convergenti (motori a V).

Nei primi anni Settanta una casa automobilistica giapponese avviò la produzione di un’automobile propulsa dal motore Wankel, un motore volumetrico rotativo inventato dal tedesco Felix Wankel nei primi anni Cinquanta. Questo tipo di motore, nel quale l’elemento mobile è costituito da un rotore con moto rotatorio continuo, anziché da un pistone con moto rettilineo alternativo, può risultare fino a tre volte più leggero rispetto ai motori tradizionali, poiché richiede un numero inferiore di candele di accensione, di fasce elastiche e di parti mobili.

1.2.

Accensione

La miscela aria-benzina aspirata nel cilindro viene compressa dal pistone in corsa ascendente; per effetto dell’aumento di pressione, essa subisce un aumento di temperatura che agevola l’accensione e accelera la combustione. L’accensione della miscela viene innescata da un arco elettrico (comunemente detto scintilla) che scocca fra gli elettrodi della candela di accensione sporgenti dalla parte superiore (testa) del cilindro.

Il tipo di accensione più comune è quello a bobina e spinterogeno, in cui l’alta tensione (10.000-15.000 V) necessaria per produrre l’arco elettrico proviene da un trasformatore (bobina di accensione); quest’ultimo è alimentato da un generatore di corrente a bassa tensione (12 V o, più raramente, 24 V) azionato dal motore stesso dell’automobile.

La bobina di accensione è costituita da due avvolgimenti che condividono il nucleo ferromagnetico; il primario è percorso da corrente a bassa tensione, mentre il secondario è isolato dal primario e sovrapposto a questo: quando un elemento meccanico mobile (ruttore) interrompe il flusso di corrente a bassa tensione nel primario, nel secondario (dotato di un numero di spire maggiore del primario) si genera per induzione una corrente ad alta tensione, che fa scoccare l’arco elettrico fra gli elettrodi della candela.

Nei normali motori pluricilindrici un dispositivo meccanico detto distributore, ma più noto come spinterogeno, provvede a collegare nella sequenza corretta le candele dei vari cilindri. I vari dispositivi meccanici inseriti nel sistema di accensione sono comandati dal motore stesso, mediante il meccanismo di distribuzione, costituito da trasmissioni a ingranaggi o a cinghia, alberi a camme ecc.

Il sistema di accensione comprende anche il motorino d’avviamento e la batteria di accumulatori. Il primo serve per azionare a freddo i pistoni e avviare il ciclo termodinamico. La batteria di accumulatori, inserita in parallelo con il circuito primario, ha la funzione di fornire corrente al motorino di avviamento, oltre che di alimentare, a motore fermo, le varie utenze elettriche come la fanaleria esterna, l’illuminazione interna, il tergicristalli, l’impianto di condizionamento ecc. Una volta che il motore è in funzione, il generatore di corrente, azionato dal motore stesso, fornisce tutta la corrente necessaria ai vari impianti, compreso il sistema di accensione vero e proprio, e ricarica costantemente la batteria.

1.3.

Lubrificazione e raffreddamento

Data l’elevata temperatura di esercizio, la lubrificazione continua delle parti in movimento del motore è di importanza fondamentale. Nel sistema più comune, detto a circolazione forzata, una pompa aspira l’olio da un serbatoio (coppa) situato sotto il basamento del motore e lo spruzza continuamente sui vari organi da lubrificare: perni di banco dell’albero motore, perni di biella, pareti del cilindro e spinotto del pistone.

Al momento dello “scoppio”, cioè della combustione esplosiva della miscela, la temperatura all’interno del cilindro è molto più elevata del punto di fusione della ghisa. Poiché si verificano almeno duemila scoppi al minuto, la parete del cilindro diventa talmente calda che nella fase di espansione il pistone vi si incollerebbe, nonostante l’azione anche parzialmente refrigerante dell’olio di lubrificazione. I cilindri vengono perciò costantemente raffreddati da un flusso d’acqua che circola velocemente all’interno della testa e del basamento. Nella stagione fredda, all’acqua viene aggiunto un liquido antigelo, cioè un liquido a punto di congelamento molto basso come l’alcol etilico o metilico o, più comunemente, glicole etilenico.

Per impedire l’eccessivo riscaldamento dell’acqua, che altrimenti raggiungerebbe in brevissimo tempo la temperatura di ebollizione, nell’impianto di raffreddamento del motore è inserito un radiatore. Questo dispositivo è posto in genere nella parte anteriore dell’automobile ed è costituito da una serie di piccoli tubi comunicanti, che vengono percorsi dall’acqua calda proveniente dal motore e sono raffreddati esternamente dal flusso d’aria originato dal movimento stesso dell’automobile. Con il motore in azione, ma con l’automobile ferma o in moto a bassa velocità, e quindi senza o con insufficiente corrente d’aria naturale, entra in funzione una ventola comandata da un termostato che rileva la temperatura dell’acqua.

Nei motori raffreddati ad aria non c’è radiatore e il calore viene asportato in parte dall’aria naturale e in parte da una corrente d’aria forzata, prodotta da una ventola sempre in funzione.

2.

Organi di trasmissione

La coppia (sistema di due forze uguali e contrarie, con rette d’azione parallele e distinte) motrice dell’albero a gomiti viene trasmessa, attraverso l’innesto a frizione, al cambio di velocità e da questo al differenziale che la ripartisce fra le due ruote motrici. Nelle automobili tradizionali, a motore anteriore e trazione posteriore, fra il cambio di velocità e il differenziale è interposto l’albero di trasmissione; questo è collegato ai due organi mediante giunti elastici che attutiscono le sollecitazioni meccaniche dovute alle variazioni di velocità. Nelle automobili “tutto avanti” o “tutto dietro” (cioè con motore e trazione anteriori o con motore e trazione posteriori), invece, cambio e differenziale fanno corpo unico e non è previsto l’albero di trasmissione.

3.

Treno di rotolamento

Il treno di rotolamento, che comprende le sospensioni, gli stabilizzatori e le ruote, è costituito da due parti distinte, collegate al telaio (quando esiste) o con il pianale della carrozzeria: l’avantreno, o treno anteriore, e il retrotreno, o treno posteriore. Il collegamento è realizzato mediante un sistema di molle a balestra o, nelle automobili più moderne, per mezzo di molloni elicoidali che, con i semiassi, i bracci di controllo e di sostegno e gli ammortizzatori, costituiscono il sistema di sospensione delle ruote.

In genere le quattro ruote hanno sospensioni indipendenti, in modo che ciascuna di esse possa variare il proprio piano senza influenzare in modo sensibile l’altra ruota della coppia. Gli stabilizzatori, o barre di torsione, sono costituiti da barre d’acciaio che collegano ciascuna coppia di ammortizzatori per ridurre il rollio e migliorare la tenuta di strada. Le ruote sono quasi sempre costituite da un disco metallico, imbullonato al mozzo, sul quale è montato lo pneumatico con o senza camera d’aria (pneumatico tubeless). Mediante il fuso a snodo, il mozzo è collegato con il semiasse.

4.

Organi di guida

La guida è controllata da un volante montato all’estremità superiore di un tubo (piantone dello sterzo) libero di ruotare all’interno di una colonna inclinata su cui si trovano i comandi dell’impianto elettrico e le levette delle luci, del tergicristallo ecc. L’altra estremità del piantone è collegata allo sterzo, che è costituito da un sistema di leve e tiranti azionato da un meccanismo a settore dentato e vite senza fine; questo meccanismo è contenuto nella scatola dello sterzo e collegato con i fusi a snodo delle ruote direttrici. Le automobili di grossa e media cilindrata sono dotate di servosterzo, cioè di un meccanismo idraulico impiegato come amplificatore di potenza per ridurre lo sforzo di guida.

I sistemi di frenatura sono due: uno azionato a mano, detto freno di emergenza e stazionamento, l’altro azionato a pedale, detto freno d’esercizio. Il freno a mano, a comando meccanico, agisce solo sulle ruote posteriori (raramente sull’albero motore), mentre il freno a pedale, a comando idraulico, agisce sulle quattro ruote, ma spesso con due circuiti indipendenti. I freni delle ruote posteriori sono del tipo a tamburo con ceppi a espansione: due lastrine convesse di materiale ad alto coefficiente di attrito sono fissate a due ceppi che le premono contro la superficie interna, concava, di un tamburo d’acciaio solidale con la ruota. Quelli delle ruote anteriori, in passato anch’essi a tamburo, oggi sono quasi sempre del tipo a disco, molto più efficienti: due lastre piatte (note come pastiglie) dello stesso materiale ad alto coefficiente di attrito sono fissate internamente a due ganasce di una pinza, che serra un disco d’acciaio solidale con la ruota.

3.

Recenti sviluppi tecnologici

Negli anni Settanta il consistente aumento del prezzo del petrolio e, di conseguenza, dei carburanti, stimolarono i costruttori di automobili a mettere a punto nuovi motori e a sviluppare tecnologie che permettessero un risparmio di carburante. Dai primi anni Ottanta i pesanti motori a benzina sono stati in parte sostituiti da motori a quattro cilindri a V (e anche a tre cilindri), spesso senza spinterogeno e senza carburatore, ma dotati di una centralina elettronica che comanda sia l’accensione che l’iniezione di carburante nei cilindri, con sensibile risparmio sui costi di esercizio. L’uso dell’elettronica nei progetti delle automobili, intrapresa in quel periodo, si è poi estesa al controllo dei cambi automatici, ai tachimetri digitali e ad apparecchiature che forniscono informazioni sullo stato di manutenzione e sulle situazioni di emergenza.

Grazie all’impiego di acciai leggeri, alluminio, magnesio e materie plastiche, i produttori hanno anche ridotto drasticamente il peso e le dimensioni delle automobili, contribuendo a ridurre i consumi di carburante. La tecnologia della trazione anteriore, che consente di portare un numero più elevato di passeggeri o un volume di carico superiore all’interno di automobili più piccole, è stata ormai adottata in tutto il mondo al posto della tradizionale trazione posteriore.

1.

Nuovi tipi di motore

I tentativi di sviluppare nuovi motori non hanno dato finora esiti convincenti. Il motore a turbina resta poco interessante a causa degli elevati costi di produzione e per la persistenza di problemi emersi successivamente, durante il suo sviluppo; il motore Stirling è stato ripreso in considerazione, ma resta affetto da difficoltà tecniche; il motore a vapore fu sperimentato sulle automobili negli anni Sessanta e Settanta, ma si dimostrò inattuabile; il motore Wankel, pur capace di alte prestazioni, è intrinsecamente meno efficiente dal punto di vista del consumo di carburante e ha quindi una produzione molto limitata.

Negli ultimi anni, invece, ha conosciuto una sempre maggiore diffusione il motore diesel. La versione a otto cilindri prodotta alla fine degli anni Settanta dalla General Motors è stata via via sostituita da quelle a sei o a quattro cilindri a V, che hanno un’economia di esercizio fino al 25% superiore. L’avvento dei diesel turbocompressi, inoltre, ha risolto il problema della scarsa accelerazione, uno dei principali difetti di questo tipo di motore.

1.1.

Motore elettrico e ibrido

Gli importanti progressi nella tecnologia delle batterie di accumulatori hanno consentito la produzione di automobili a motore elettrico capaci di velocità fino a 80 km/h, con un’autonomia anche superiore a 160 km. Il peso delle batterie trasportate dal veicolo e la necessità di frequenti ricariche pongono ancora problemi cui i costruttori non riescono a dare una soluzione soddisfacente.

Oggi la maggior parte delle case automobilistiche si sta concentrando sul progetto di automobili elettriche ibride. L’auto HEV (Hybrid Electric Vehicle), come viene comunemente chiamata negli Stati Uniti, dovrebbe essere l’automobile del futuro: è un’automobile elettrica, ma è munita anche di un piccolo motore a combustione interna e di un generatore elettrico, che carica le batterie del veicolo con continuità, o quando sono esaurite. Gli HEV dunque risolvono il problema della limitata autonomia fra due ricariche, tipica delle auto elettriche; sono particolarmente interessanti e convenienti perché possono essere utilizzati nel modo elettrico, economico e non inquinante, sui brevi percorsi cittadini e come automobili tradizionali per i lunghi viaggi. Un HEV può essere di due tipi: del tipo in serie, se il generatore, azionato dal motore a combustione, carica le batterie, che a loro volta alimentano il motore elettrico, o in parallelo, se l’albero motore può venire azionato direttamente sia dal motore elettrico che da quello a combustione.

Negli Stati Uniti le ricerche sugli HEV sono finanziate congiuntamente dal governo e dalle case costruttrici: Ford, General Motors e Chrysler stanno studiando ibridi sia in serie che in parallelo, per metterli in produzione, affermano, in un futuro non troppo lontano. In Giappone, la HINO Motors ha prodotto una dozzina di autobus HEV, nel quadro di un programma per eliminare le emissioni di particelle inquinanti caratteristiche dei motori diesel in fase di accelerazione: in questi veicoli è appunto il motore elettrico a sostituire il diesel durante le fasi critiche. Anche Volkswagen, Mitsubishi, Honda e Toyota stanno sviluppando modelli HEV.

La prima automobile ibrida italiana, prodotta da FIAT e in commercio dal maggio 1999, si chiama Multipla. È un’automobile monovolume di tipo compatto, a 6-7 posti, con motore ibrido del tipo parallelo e autonomia elettrica di due ore, pari a una percorrenza di 40 km in città. Le prime centinaia di unità prodotte sono state destinate esclusivamente a soggetti pubblici, operanti nelle aree urbane.

1.2.

Motore a idrogeno

Al momento le case costruttrici e gli scienziati concordano nell’indicare nella tecnologia a idrogeno il futuro dell’automobile ecologica. La tecnologia prevede che il motore venga sostituito da una cella a combustibile, un dispositivo capace di estrarre energia dalla reazione tra idrogeno e ossigeno, con emissione di acqua come unico prodotto di scarico. I problemi legati allo sviluppo di questa tecnologia, tuttavia, e all’adattamento dei suoi costi produttivi alle esigenze commerciali, rimandano al 2010 l’immissione sul mercato dei primi modelli combusti a idrogeno. Per il momento le diverse case costruttrici mettono a punto prototipi via via più efficienti. Alcune di esse si sono unite nello sforzo comune della ricerca in questo campo costituendo una Fuel Cell Partnership con centro a Sacramento, negli Stati Uniti. Nell’ottobre 2003, nell’ambito di questa partnership, la FIAT ha presentato un prototipo di Seicento a idrogeno con prestazioni pressoché uguali a quelle di un’automobile tradizionale; ciò che tiene ancora lontani i prototipi dal mercato sono naturalmente i costi, al momento elevatissimi.

4.

Infomobilità

Il tumultuoso sviluppo della tecnologia delle telecomunicazioni degli ultimi anni trova oggi uno sbocco anche nell’industriua dell’automobile, fornendo una serie di sofisticati optional per la comunicazione e il controllo delle vetture. Si tratta di apparati telematici che offrono soprattutto servizi di geolocalizzazione e cartografia digitale di bordo (vedi GPS), ma che, collegati a Internet, potranno arrivare a garantire all’automobilista informazioni continuamente aggiornate su traffico, condizioni atmosferiche, condizioni del veicolo e localizzazione geografica.