RICERCA ITALIANA     

L'INNOVAZIONE DELLE TRASMISSIONI MECCANICHE PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI

Politecnico di Bari

Abstract

I sistemi automobilistici dedicati alla trasmissione del moto dal motore alle ruote sono al centro di rilevanti innovazioni volte al conseguimento di vetture migliori dal punto di vista della riduzione dei consumi energetici e dell' ambiente, della sicurezza e delle prestazioni. Per conseguire questi obiettivi sono in corso di sviluppo sistemi di trasmissione innovativi dal punto di vista meccanico ed elettronico sia per quanto riguarda la componentistica adottata sia per gli aspetti sistema. E' evidente l'impegno di ricerca internazionale finalizzato a cogliere le opportunità offerte ai costruttori di autoveicoli dalla vasta disponibilità di sistemi di trasmissione che spaziano dai cambi tradizionali robotizzati, ai cambi tipo Continuous Variable Transmission (CVT ), agli Infinite Variable Transmission (IVT), alle Dual clutch, solo per citare alcune tra le principali tipologie. I benefici in termini di riduzione dei consumi energetici e incrementi prestazionali possono essere rilevanti rispetto a soluzioni tradizionalmente in uso sia nell'ambito dei cambi automatici sia in quello dei cambi ad azionamento manuale. Il generale rapido sviluppo dei sistemi fondamentali dell'autotelaio (pneumatico, sospensioni, sterzo, freni) richiede un parallelo sviluppo di attività di ricerca finalizzate alla integrazione dei sistemi stessi, in modo da conseguire obiettivi altrimenti difficilmente raggiungibili ricorrendo ai sistemi operanti da soli. Ciò è tanto più vero nel caso dei veicoli ibridi (HEV). Questi ultimi, a causa della doppia motorizzazione termica-elettrica, generalmente, presentano il problema della gestione della potenza erogata dai due motori, con diagrammi sensibilmente diversi di erogazione della stessa, che va quindi trasferita, opportunamente combinata o ripartita dalla trasmissione in questione, alle ruote oppure riconvertita in energia elettrica per ricaricare il pacco batterie.
Le unità di ricerca del presente programma hanno già proficuamente sviluppato sinergicamente attività di ricerca nel campo delle trasmissioni meccaniche, grazie ai finanziamenti COFIN 2000 e COFIN 2002. Gli ottimi risultati finora raggiunti hanno permesso, da un lato, di meglio comprendere il comportamento meccanico di tali trasmissioni e, dall'altro, di mostrare che esse possono effettivamente contribuire alla riduzione dei consumi energetici e delle emissioni inquinanti dei veicoli. Tali ragioni hanno spinto le Unità di Ricerca a rinnovare l'impegno a collaborare su questi temi e ad avviare un nuovo programma di ricerca che prosegua la proficua attività di ricerca sulle trasmissioni innovative. Obiettivo fondamentale del presente programma di ricerca è quello di intraprendere una attività prevalentemente sperimentale che servirà a testare la bontà dei modelli teorico-numerico già sviluppati a comprenderne i limiti e ad individuare i margini di miglioramento. I modelli delle trasmissioni, una volta validati, verranno utilizzati all'interno di sistemi più complessi di simulazione HIL dell'intero veicolo, al fine di individuare le migliori strategie di controllo dell'intero sistema necessari per raggiungere gli obiettivi posti: riduzione dei consumi, delle emissioni inquinanti e miglioramento del comfort. Accanto a tale principale attività di ricerca verranno, anche, condotti studi teorici su alcuni aspetti non sufficientemente investigati nel corso delle due programmi precedenti. Tale attività di modellazione teorica permetterà, a seguito dell'attività sperimentale, di affinare e quindi completare i precedenti modelli teorici già proposti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luigi MANGIALARDI Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le trasmissioni meccaniche costituiscono uno dei settori di maggior interesse scientifico ed industriale. Esse sono elementi essenziali nella quasi totalità delle macchine e sono presenti in qualsiasi settore da quello agricolo al settore manifatturiero per finire nel settore automobilistico. Ovviamente le loro prestazioni influenzano il comportamento e l'efficienza complessiva del sistema meccanico di cui sono parte, per cui l'interesse di numerosissimi ricercatori universitari ed industriali è rivolto alla ricerca di nuove ed originali soluzioni funzionali in grado di migliorare le prestazioni delle trasmissioni meccaniche. Importante parte di tale attività riguarda il campo dei trasporti terrestri.
Le trasmissioni automatiche innovative (CVT, IVT, Split-Path), da alcuni anni, suscitano notevole interesse scientifico ed industriale per la possibilità di ottimizzare le prestazioni di molti sistemi meccanici di trasmissione della potenza ed in particolare di ridurre, mediante una opportuna strategia di controllo del cambio, le emissioni ed i consumi in campo veicolistico ed anche di migliorare il confort di marcia. Configurazioni particolarmente semplici ed economiche rendono tali trasmissioni adatte anche all'impiego su veicoli di piccola potenza quali ad esempio gli scooter.
Le unità di ricerca del presente programma hanno già proficuamente sviluppato sinergicamente attività di ricerca nel campo delle trasmissioni meccaniche, grazie al finanziamento COFIN 2000 e COFIN 2002, sviluppando modelli di simulazione di tali trasmissioni e dell'intero sistema veicolo-trasmissione-strada. Obiettivo fondamentale del presente programma di ricerca è quello di proseguire lo studio sulle trasmissioni meccaniche innovative mediante una attività prevalentemente sperimentale che permetta di confrontare il comportamento meccanico dei variatori e degli altri componenti meccanici ottenuto dai modelli teorici con i dati sperimentali. Verranno, quindi, messi in luce i limiti dei modelli teorico-numerici e individuati i margini di miglioramento. Saranno, inoltre, condotti studi teorici su alcuni aspetti non sufficientemente investigati nel corso delle due programmi precedenti, quali ad esempio lo studio dettagliato del fenomeno di attrito tra le superfici dei variatori in moto relativo e lo studio dei meccanismi a camma, quest'ultimi componenti essenziali nel caso delle trasmissioni robotizzate. Tale attività di modellazione teorica permetterà, assieme all'attività sperimentale, di affinare e quindi completare i precedenti modelli teorici già proposti. I modelli delle trasmissioni, una volta validati, verranno utilizzati all'interno di sistemi più complessi di simulazione HIL dell'intero veicolo, al fine di individuare le migliori strategie di controllo dell'intero sistema necessarie per raggiungere gli obiettivi posti: riduzione dei consumi, delle emissioni inquinanti e miglioramento del confort.
Si intende perseguire questi obiettivi attraverso una condivisione delle competenze che ciascuna Unità di Ricerca ha maturato nel corso degli anni su differenti settori delle trasmissioni meccaniche. Le trasmissioni meccaniche innovative oggetto del presente programma di ricerca sono le trasmissioni meccaniche a variazione continua del rapporto di velocità a doppia via, comprendenti variatore e rotismo epicicloidale, le trasmissioni CVT a pulegge espandibili con cinghia metallica e in materiale elastomerico e i meccanismi a camma. Parallelamente sarà condotta l'attività di ricerca riguardante il consolidamento delle conoscenze acquisite nell'ambito delle sistemi hardware in the loop (HIL) ed alla sperimentazione di sistemi innovativi di trasmissione mediante banche HIL.
L'obiettivo che ci si propone di raggiungere nel campo delle trasmissioni a doppia via è quello di migliorare le prestazioni ottenibili in termini di potenza trasmissibile, di adeguamento del variogramma del rapporto di trasmissione alle esigenze del veicolo e soprattutto di rendimento complessivo ed abbassamento dei consumi. L'attività che si intende svolgere sulle trasmissioni CVT a pulegge espandibili consiste nella verifica sperimentale dei modelli teorici già ottenuti in modo da poterli successivamente proporre come modelli di simulazione dinamica del variatore nella fase di progettazione del sistema di controllo dello stesso. Sarà condotto, anche, uno studio dettagliato dell'interazione tra le superfici a contatto, il quale permetterà di giungere ad una migliore comprensione dei meccanismi di usura e di attrito, che così tanto influenzano il comportamento dei variatori continui. Verrà inoltre condotta un'analisi dei parametri geometrici che più influenzano il rendimento meccanico e l'usura dei meccanismi a camma. Parimenti, si procederà alla sperimentazione con banchi hardware-in-the-loop (HIL) di sistemi di trasmissione automobilistica innovativi, mediante l'integrazione, nel modello di veicolo già esistente, dei modelli di calcolo del comportamento dinamico di tali trasmissioni e mediante l'elaborazione dei modelli in una versione idonea per applicazione real-time. Questa operazione consentirà di disporre di un modello di veicolo completo dei sistemi di trasmissione, che potrà essere utilizzato per studiare possibili conflittualità introdotte dalla coesistenza di sistemi di trasmissione dedicati al controllo della trazione con sistemi di frenatura dedicati al controllo attivo della stabilità. Inoltre la simulazione HIL verrà utilizzata anche per stabilire se alcune soluzione di derivazione automobilistica possano avere applicazione in ambito ferroviario dato che la forte competizione nel mercato dei rotabili ferroviari comunemente chiamati DMU (Diesel Multiple Unit) ha spinto molti fornitori, , dopo la positiva esperienza di utilizzazione di motorizzazione di derivazione automotive, ad utilizzare cambi sequenziali di medesima derivazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I sistemi di trasmissione automobilistici sono continuamente sottoposti ad importanti innovazioni volte al conseguimento di vetture migliori dal punto di vista del comfort, della guidabilità, della sicurezza, delle prestazioni e dell'impatto ambientale. Per conseguire questi obiettivi sono stati sviluppati sistemi di trasmissione con controllo automatico innovativi dal punto di vista meccanico ed elettronico sia per quanto riguarda la componentistica sia per gli aspetti di interazione richiesti.
Tra i molti sistemi sviluppati in questa ottica si possono ricordare, ad esempio, il controllo motore, le trazioni ibrido-elettriche, il controllo automatico della stabilità (automatic stability control:ASC), il controllo elettronico della trazione (electronic traction system ETS, traction control system TCS), il controllo elettronico della valvola a farfalla (electronic throttle control ETC), il controllo automatico della velocità di crociera (adaptive cruise control ACC), il comando automatico sequenziale del cambio e della frizione, il controllo dello stato di pressione del pneumatico, la sterzatura elettrica, i sistemi attivi di controllo della frenatura (ABS). Non vi è costruttore di sistema automobilistico che oramai non presenti tra i propri prodotti di punta sistemi quali quelli indicati. Innumerevole è l'attività di ricerca svolta nel settore. Associazioni internazionali (ad esempio SAE ISATA, FISITA ed IFToMM) annoverano numerosi ricercatori industriali ed universitari operanti nel settore. Cruciale nella realizzazione di alcuni tra i sistemi descritti si è rivelata essere una conoscenza delle caratteristiche dei componenti dei sistemi di trasmissione più approfondita di quanto non fosse necessario in passato. In effetti, la sostituzione del comando automatico a quello manuale impone, con evidenza, la necessità di trasferire alle ECU (Electronic Control Unit) informazioni quanto più dettagliate possibile sulle caratteristiche di ciascun componente della trasmissione considerandone, ad esempio, la dipendenza dalle condizioni operative e di utilizzo, dall'usura, dai fenomeni termici.
Particolarmente importante appare, da questo punto di vista, la determinazione delle caratteristiche dei componenti di trasmissione ad attrito che sono componenti fondamentali di un sistema di trasmissione. Nell'ambito dell'integrazione delle operazioni eseguite da centraline differenti è di particolare importanza lo sviluppo di strategie di controllo del cambio che permettano di conseguire i risultati attesi dal guidatore e di ottimizzare le prestazioni del veicolo in termini di consumi ed emissioni inquinanti, esigenza, quest'ultima, sempre più sentita (conferenza di Kyoto).
La continua evoluzione delle trasmissioni meccaniche ha condotto a soluzioni funzionali, che richiedono sempre più l'integrazione di un maggior numero di componenti e dispositivi meccanici (rotismi, frizioni, CVT, camme, ecc.), con un conseguente crescente incremento delle problematiche ad esse connesse.
È ovvio che ciascuna Unità di Ricerca non ha le competenze per poter affrontare tutte le problematiche, per cui risulta di fondamentale importanza consolidare e condividere le competenze di ciascuna Unità di Ricerca, al fine di creare un'azione sinergica finalizzata all'individuazione di proposte innovative per il miglioramento delle prestazioni delle trasmissioni. Le Unità di Ricerca del presente programma hanno già proficuamente sviluppato sinergicamente attività di ricerca nel campo delle trasmissioni meccaniche, la maggior parte di esse anche grazie ai finanziamenti COFIN 2000 e COFIN 2002.
L'attività di ricerca ha affrontato lo studio del comportamento dinamico in transitorio delle trasmissioni IVT e CVT a pulegge espandibili, e la valutazione del rendimento e delle capacità di trasmettere coppia e potenza delle trasmissioni Toroidali che, grazie al miglioramento delle caratteristiche di resistenza dei materiali costituenti, hanno suscitato un rinnovato interesse da parte delle case automobilistiche che, in alcuni, casi le propongono come CVT alternativi a quelli a cinghia Van Doorne o a catena Luk (si veda ad esempio Nissan). Inoltre è stato studiato il comportamento dell'intero sistema veicolo-ambiente, considerando l'intera catena cinematica "motore-organi di trasmissione del moto- strada" e sono state individuate le configurazioni della trasmissione IVT o CVT ottimali dal punto di vista della gestione della potenza, del risparmio energetico, della riduzione delle emissioni inquinanti e del miglioramento del comfort. La possibilità offerta dalla trasmissioni CVT di poter sfruttare ampi intervalli di rapporti di trasmissione consente il giusto accoppiamento tra la curva caratteristica di un propulsore (a combustione interna o elettrico) e la curva caratteristica del percorso "strada". Per esempio, come è ben noto, un propulsore di tipo endotermico, nel consueto utilizzo, non lavora mai nelle condizioni ideali. La trasmissione CVT, invece, può essere in grado di far lavorare il motore sulla linea di massima efficienza per ogni valore della potenza richiesta. Oppure, nella cosiddetta trazione "ibrida" far funzionare il propulsore endotermico a punto fisso anche al fine di garantire la corretta alimentazione elettrica. Da questo punto di vista molto importanti sono le trasmissioni CVT che prevedono un funzionamento bi- o pluri-modale. In tali sistemi, l'escursione del rapporto di trasmissione viene suddivisa in sub-range parziali, da realizzare di fatto con differenti configurazioni meccaniche del sistema di trasmissione (modi), avvenendo il passaggio dall'uno all'altro modo mediante l'innesto/disinnesto di opportuni collegamenti a frizione, ovviamente in condizioni di sincronismo delle velocità di rotazione degli alberi interessati.
D'altra parte in ambito automobilistico ed in particolare nel caso dei cambi robotizzati i meccanismi a camma sono componenti di importanza fondamentale e pertanto devono essere oggetto di studi approfonditi volti alla migliore comprensione del loro comportamento meccanico. In passato le Unità di ricerca hanno sviluppato modelli teorico-numerico di simulazione di componenti di veicoli con ottimi risultati la cui validazione sperimentale risulta ora assolutamente necessaria. Come noto, però, l'attività sperimentale risulta sempre molto costosa. Essa, comunque, può essere notevolmente potenziata grazie alla tecnologia HIL. In particolare, al fine di ridurre i costi delle prove di validazione (e/o certificazione) di componenti e sottosistemi meccatronici di uso comune in un determinato settore, ad esempio automobilistico o ferroviario, è oggi pensabile di realizzare dei sistemi di simulazione Hardware-In-the-Loop (HIL) che uniscano un elevato grado di fedeltà alla facile riconfigurabilità.
La simulazione HIL consiste nel far "sentire" al componente in prova le condizioni operative in cui si troverebbe in una ipotetica missione. Un tipo particolare di sistemi HIL sono i sistemi di realtà virtuale in cui uno dei componenti "hardware" è l'uomo: esempi sono i simulatori di volo o i simulatori di guida veicolo. Infatti grazie all'uso di potenti mezzi di calcolo, è possibile realizzare un ambiente, parte hardware e parte real-time software, attorno al componente provato (il quale può avere anch'esso una parte hardware ed una parte real-time software), che riproduca in modo più fedele possibile la rimanente parte del sistema dinamico in cui il componente sarebbe inserito. Ciò risulta essere utile anche nello studio sperimentale delle trasmissioni meccaniche a variazione continua (CVT) le cui caratteristiche fondamentali sono da individuare nella potenza massima che l'impianto può trasmettere, nell'apertura (rapporto fra valore massimo e minimo del rapporto di trasmissione), nel rendimento e nella classe del variatore, ossia le sue dimensioni e nel comportamento del variatore durante le fasi transitorie di variazione del rapporto. <<<