La diffusione dei banchi a rulli, chiamati anche «chassis dyno», rende molto pratico misurare la potenza di un veicolo e confrontarla con quella di altre auto.
Molti danno per scontato che i risultati ottenuti su un banco a rulli siano confrontabili con quelli di un altro banco, e che la potenza indicata da un banco a rulli rifletta la potenza reale dell’auto.
Bisogna invece considerare la precisione della misura e quanto sia sensibile ai piccoli cambiamenti apportati al motore.
In questo articolo cercheremo di analizzare cosa si nasconde dietro i valori forniti dai banchi a rulli.
Tipi di banchi a rulli
Attualmente esistono due tipi di banchi a rulli:
Quelli puramente inerziali e quelli dotati di freno dinamometrico (elettrico o idraulico).
I banchi puramente inerziali possono misurare solo a farfalla completamente aperta, in piena accelerazione e sempre in fase di accelerazione. I banchi con freno, invece, possono eseguire prove stabilizzate a giri costanti, con aperture intermedie dell’acceleratore, e persino simulare determinati carichi come quelli aerodinamici.
Come funzionano i banchi a rulli inerziali?
I banchi inerziali stimano l’energia applicata a un volano (il rullo stesso) e la velocità con cui viene accelerato. Conoscendo la massa inerziale del rullo, si ricava la potenza applicata per accelerarlo. Da questa potenza si ottengono altri dati, come la coppia applicata.
I banchi inerziali possono calcolare la potenza solo durante l’accelerazione. Non possono eseguire prove a carico costante, il che ne limita l’uso in alcune applicazioni come la mappatura di iniezione e anticipo in diverse condizioni di carico. Inoltre, poiché la massa del rullo non può essere modificata, si è sempre vincolati a una velocità di accelerazione fissa, che dipende da quella massa e dalla potenza del motore. Se il rullo è troppo leggero o troppo pesante, non si riproducono le condizioni reali del motore, ad esempio per ottenere una pressione del turbo sufficiente.
Come funziona un banco a rulli con freno?
In questo caso il rullo si comporta in modo inerziale durante le accelerazioni, ma di solito viene progettato con un’inerzia minore, perché la maggior parte della potenza erogata dal veicolo viene trasferita a un’unità di assorbimento di potenza, come un freno a correnti parassite o idraulico. Questo freno può dissipare la potenza erogata e persino opporre una resistenza al veicolo, in modo che non acceleri e resti a giri costanti.
Allo stesso tempo, l’unità di assorbimento esercita una coppia resistente che si oppone alla coppia del veicolo. Tale coppia viene misurata da una cella di carico, che trasmette l’informazione a un computer. La lettura di coppia e giri permette di calcolare la potenza assorbita dal freno, che è proporzionale alla potenza erogata dal motore (ma non è la stessa).
C’è un aspetto importante da considerare: la misura con il freno può essere effettuata solo a giri costanti. Se i giri aumentano, una parte della potenza viene utilizzata per accelerare le masse inerziali; quella potenza non arriva al freno e non viene misurata dalla cella di carico. Per questo, in accelerazione, il freno indica meno potenza rispetto a giri costanti. Le apparecchiature più moderne combinano misure inerziali e dinamometriche per compensare questa situazione, ottenendo valori simili in accelerazione e sotto carico a velocità costante (o a gradini).
Qual è la differenza tra la potenza indicata da un banco a rulli e quella indicata da un banco motore?
Molte condizioni influiscono sulla precisione della misura in qualsiasi tipo di banco, sia a rulli sia motore:
- la temperatura della sala prova
- il flusso d’aria in aspirazione
- la pressione barometrica
- la calibrazione del sistema
Nei banchi a rulli, però, esiste un insieme di variabili aggiuntive che influiscono sulla misura e sono molto difficili da controllare e compensare.
Il fattore principale è la perdita di potenza nella trasmissione. Ad esempio, la marcia in cui si esegue la prova incide in misura maggiore o minore; normalmente le perdite nel cambio sono minori in presa diretta (1:1) o nella condizione più vicina a essa. Altri fattori sono la temperatura dei lubrificanti del cambio o del differenziale, la velocità di accelerazione e le inerzie parassite introdotte dagli organi di trasmissione, che si sommano all’inerzia del rullo, gli attriti dei freni, il modo in cui il veicolo è ancorato al banco, il peso sull’asse e la deformazione degli pneumatici, ad esempio per pesi, pressioni di gonfiaggio o mescole diverse, oltre al loro slittamento sul rullo.
C’è un’analogia molto interessante al riguardo: misurare su un banco a rulli è come voler conoscere il proprio peso stando vestiti.
A volte ti pesi con le scarpe, altre scalzo, a volte in biancheria intima e altre con il cappotto. Non conoscerai mai il tuo peso reale.
Anche se i software utilizzano diverse stime e misure aggiuntive, non sarà mai possibile conoscere la potenza del motore con un banco a rulli, perché queste perdite non sono misurabili con esattezza.
Alcuni applicano la regola di considerare come perdita circa il 10% della potenza nella trasmissione. Ma si tratta ovviamente di una stima molto imprecisa: posso avere due veicoli simili, con lo stesso peso, uno da 200 CV e l’altro da 500 CV. Usando la percentuale otterrò perdite molto diverse, mentre in realtà, se i veicoli sono simili, è probabile che le perdite siano simili. Le perdite delle trasmissioni possono variare enormemente per costruzione, regolazione e qualità dei componenti, e anche i valori di perdita saranno quindi diversi.
Cercare di arrivare ai numeri del motore è un’illusione che ci distrae dal nostro vero obiettivo. L’obiettivo è scaricare più potenza a terra, ed è lì che dobbiamo concentrarci. Questo numero si può aumentare migliorando la potenza del motore, è vero, ma anche ottimizzando e migliorando i componenti della trasmissione del veicolo.
Se comunque ti interessa ottenere valori esatti, l’unico modo è disporre di un banco prova motore e di un banco a rulli con freno ad assorbimento. Bisognerebbe eseguire una prova a gradini con giri stabilizzati su entrambi i banchi, verificando che l’alimentazione d’aria dei motori sia adeguata in entrambi i casi, così come la temperatura di olio e motore, le condizioni climatiche e quelle della sala prova (ventilazione e inquinamento), oltre a utilizzare lo stesso impianto di scarico con la stessa lunghezza dei tubi. Sarebbe l’unico modo per conoscere le perdite reali della trasmissione. Complicato, vero?
Quali sono i principali fattori che influiscono sulla precisione di un banco a rulli?
La precisione si può considerare in modi diversi. Da un lato c’è la precisione del sistema di misura in sé (sensori, elettronica, software), dall’altro ci sono gli elementi esterni che modificano la potenza scaricata a terra e misurata da quel sistema.
Partiamo dal presupposto che la potenza letta dal sistema sia ripetibile e precisa (sta a te verificare quale marca garantisce questa precisione). Consideriamo ora gli elementi esterni.
Tra questi, gli organi di trasmissione influiscono molto in un banco a rulli. Il contatto tra pneumatico e rullo è il primo punto in cui possono comparire errori. Il tipo di mescola, il disegno del battistrada, la pressione di gonfiaggio, il materiale e la temperatura della gomma possono incidere se non si presta attenzione alle condizioni di prova. Il peso sullo pneumatico o la tensione con cui è stato ancorato il veicolo fanno deformare di più lo pneumatico, che quindi assorbe più potenza; questa potenza scompare dalla lettura finale, generando errori.
Risalendo verso il motore, fattori come l’aria aspirata, sia in portata sia in pressione, possono incidere in modo significativo. Se i gas di scarico non vengono evacuati dalla sala, quell’inquinamento rientra in aspirazione e il motore sviluppa meno potenza. Persino il modo in cui il pilota preme l’acceleratore può influire sul risultato finale se non si presta attenzione.
Nella trasmissione i componenti si scaldano, la viscosità dell’olio cambia e i cuscinetti si riscaldano.
Nei veicoli con centralina elettronica, ci sono numerosi punti di controllo in cui la centralina interviene e modifica il funzionamento del motore in base alle condizioni: dalla correzione più semplice, cioè la regolazione della miscela in base alla pressione barometrica e alla temperatura dell’aria aspirata, ad altre correzioni come la pressione del turbo o la temperatura dell’intercooler. Oggi, nei veicoli con controllo di trazione che non può essere disattivato completamente, non è possibile misurare correttamente su banchi a un solo asse, perché il sistema rileva uno slittamento rispetto alle ruote ferme e toglie automaticamente potenza al motore.
Per questo si eseguono sempre più prove sul veicolo, in modo da ottenere un profilo della ripetibilità. Se tra una prova e l’altra ottengo differenze di 3 CV, quello è il mio limite per rilevare cambiamenti: non potrò ottenere una precisione maggiore. Più l’ambiente e la prova sono controllati, più questo numero sarà piccolo, più le prove saranno ripetibili e più fini saranno le modifiche che potrò valutare sul motore. Anche così, è probabile che piccole modifiche, inferiori al 5% della potenza totale, siano difficili da rilevare nelle installazioni tipiche, perché è difficile capire se il miglioramento dipende da modifiche reali al motore o da effetti momentanei dell’ambiente o delle condizioni.
Quanto incide il rapporto di trasmissione?
Ci sono differenze tra le marce. Ognuna ha il proprio momento d’inerzia, il proprio attrito, e incide anche sullo slittamento degli pneumatici sul rullo.
Nelle marce più basse la riduzione è maggiore, quindi il cambio tende a essere meno efficiente, con più perdite e di conseguenza meno potenza alla ruota. Inoltre tende a esserci più slittamento delle ruote.
In teoria si dovrebbe ottenere la stessa potenza in qualsiasi marcia, ma c’è un altro fattore da considerare. La velocità con cui il veicolo accelera dipende direttamente da questo rapporto: più accelera rapidamente, più energia serve per far girare il volano del motore, e quell’energia non arriva alla ruota. Per questo è consigliabile eseguire le prove il più vicino possibile a una presa diretta 1:1.
Come influiscono gli pneumatici sui risultati?
Gli pneumatici vanno considerati parte delle condizioni di prova, e se cambi le condizioni di prova cambi i risultati. Il cambiamento può andare dalla sostituzione fisica dello pneumatico (larghezza, diametro, disegno, ecc.) al cambiamento del suo stato, ad esempio la pressione di gonfiaggio o il peso del veicolo sull’asse. Le ruote incidono dall'1 al 3 per cento del totale misurato.
Un altro fattore da considerare è che gli pneumatici si espandono per effetto della forza centrifuga, e questo modifica il rapporto di trasmissione complessivo.
Come si può barare su un banco a rulli?
I modi sono molti: alcuni intenzionali, altri dovuti a cattive condizioni di prova. Più fattori si controllano, più la prova sarà precisa.
Ad esempio, cambiare il modo in cui si ancora il veicolo può influire molto sul risultato. Maggiore è la forza verso il basso, maggiore è la deformazione degli pneumatici e quindi minore sarà la potenza a terra. Cambiare la pressione degli pneumatici, provare con il motore troppo freddo o troppo caldo, modificare parametri del software in generale, come falsare il momento d’inerzia, o allontanare o avvicinare i ventilatori al motore sono tutte azioni che possono alterare la misura.
Sebbene i banchi con freno dinamometrico siano potenzialmente i più esatti, sono anche vulnerabili ad alterazioni. Il primo aspetto da verificare è la corretta calibrazione della cella di carico del freno.
Si dice che i banchi puramente inerziali siano i più ripetibili, perché la potenza dipende solo dal momento d’inerzia della massa rotante. È verissimo, e si possono davvero osservare variazioni molto piccole; bisogna però tenere presente che ripetibile non significa esatto. La potenza indicata da questo tipo di banco, infatti, in molti casi non rappresenta la potenza reale del veicolo. Se si cerca la precisione, i risultati migliori si ottengono con banchi dotati di freno ad assorbimento.
Contrariamente a quanto si crede, il mio consiglio è di diffidare dei banchi prova che forniscono numeri molto alti. È più probabile che sia esatto un banco che fornisce valori piuttosto bassi. Chiedete sempre il maggior numero possibile di informazioni sulla prova (condizioni di prova, temperatura, umidità e pressione ambiente, fattore di correzione SAE utilizzato, momento d’inerzia del rullo). In ogni caso, va tenuto presente che i banchi a rulli non servono a confrontare numeri tra un’installazione e l’altra. Le differenze sono notevoli. Il banco a rulli va considerato uno strumento per valutare modifiche successive sullo stesso veicolo, nello stesso luogo di prova.
Dati reali
Un articolo pubblicato dalla rivista Hot Rod nel maggio 2004 ha confrontato le letture dei principali produttori di banchi prova degli Stati Uniti, misurando lo stesso veicolo in diverse installazioni.
Come prevedibile, i risultati sono molto diversi tra loro. Ad esempio, i banchi con freno ad assorbimento hanno indicato circa 18 HP in meno rispetto ai banchi puramente inerziali.
Potenza dichiarata dal costruttore: 260 HP (al motore)
Potenze misurate (alla ruota)
- Dynapack (ad assorbimento): 208,9 HP
- Dynojet (inerziale): 226,9 HP
- Mustang (ad assorbimento): 219,1 HP
- Superflow (inerziale): 225,0 HP
Conclusioni
Come si vede, nemmeno i marchi leader dei banchi prova concordano sulla potenza indicata, e i valori sono persino molto lontani dai dati del costruttore. La raccomandazione è di eseguire sempre le prove nello stesso luogo e nelle stesse condizioni. In questa situazione non ha senso confrontare i risultati tra banchi diversi, né cercare di far indicare al banco a rulli la potenza al motore, perché è uno strumento che misura la potenza alla ruota e la potenza persa non è misurabile (nemmeno con una prova in decelerazione).
Tuttavia, la nostra esperienza ci dice che i banchi a rulli sono strumenti molto sensibili: se ben costruiti e dotati di un sistema di misura ad alta precisione, sono in grado di rilevare differenze di potenza molto piccole, il che permette di apportare piccole modifiche al motore e di individuarle. Allo stesso tempo, dietro un utilizzo molto semplice nascondono una grande complessità in tutti gli elementi che influiscono sulla potenza misurata, ed è su questi fattori che gli operatori del banco fanno la differenza tra una misura seria e precisa e una misura approssimativa che finisce per generare più dubbi che certezze. Quando si lavora con strumenti affidabili e precisi, la formazione e la competenza dell’operatore diventano l’elemento più critico del banco a rulli.