RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Politecnico di BARI - INGEGNERIA MECCANICA E GESTIONALE - BARI(BA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Luigi MANGIALARDI

Descrizione

Le ben note potenzialità delle trasmissioni a variazione continua del rapporto di velocità CVT, quali la possibilità di migliorare il confort di marcia dei veicoli, ridurne le emissioni inquinanti e i consumi di combustibile, ha incrementato considerevolmente l'interesse delle case costruttrici di automobili verso tale tipo di trasmissione. Ormai, quasi tutte le principali aziende automobilistiche propongono tra i vari modelli alcuni equipaggiati con trasmissioni automatiche CVT a pulegge espandibili o toroidali. E' questo, per esempio, il caso di Fiat, Bmw, Audi, Rover, per ciò che concerne i variatori a pulegge espandibili di tipo Van Doorne o Luk, oppure della Nissan che propone modelli con variatore toroidale Nsk. D'altra parte, in campo motociclistico il variatore a pulegge espandibili e cinghia in gomma ha, ormai, invaso il mercato dei ciclomotori tutti equipaggiati con tale tipologia di trasmissione. Risulta, quindi, evidente che una più approfondita comprensione del comportamento dinamico dei variatori permetterebbe di individuare i parametri geometrici, cinematici e dinamici sui quali intervenire per ottimizzarne le prestazioni ed in particolare il rendimento meccanico. Ciò permetterebbe di individuare le configurazioni delle trasmissioni CVT ottimali dal punto di vista della gestione della potenza, del risparmio energetico, della riduzione delle emissioni inquinanti e del miglioramento del confort.
I risultati ottenuti dall'Unità di Ricerca negli ultimi anni di attività hanno messo in evidenza, da un lato, la necessità di approfondire l'indagine sperimentale del variatore CVT e dall'altro la necessità di una migliore comprensione del fenomeno di attrito tra cinghia e puleggia o, nel caso delle trasmissioni toroidali, tra rollers e dischi. La capacità di trasmettere coppia e potenza di tali trasmissioni sono infatti possibili solo grazie alle azioni tangenziali di attrito, che si sviluppano all'interfaccia tra le superfici a contatto. Tali azioni tangenziali, peraltro, influenzano considerevolmente il rendimento meccanico del variatore. Nel caso dei variatori toroidali, è ben noto che le azioni tangenziali di attrito si originano, in regime di lubrificazione elasto-idrodinamica, grazie alle elevate velocità di deformazione del traction oil, che resta "intrappolato" tra le superfici in scorrimento relativo. In questo caso, però, non è ancora completamente chiaro e, soprattutto, non si è ancora in grado di quantificare correttamente l'effetto degli innalzamenti di temperatura locali del lubrificante sul rendimento e la capacità di trasmettere coppia del variatore. La situazione è ancora meno chiara nel caso dei CVT a pulegge-espandibili. Infatti, per i variatori a cinghia o catena metallica, non si è in grado di stabilire quale sia l'effettivo regime di lubrificazione (limite o mista), mentre nel caso dei variatori a cinghia in gomma rinforzata il modello di attrito di tipo Coulombiano con coefficiente di attrito costante risulta troppo semplificato per descrivere il comportamento meccanico del variatore. L'unità di ricerca di Bari si propone pertanto di seguire due strade parallele. La prima è quella della 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. La seconda è quella che, mediante uno studio dettagliato dell'interazione tra le superfici a contatto, permetterà di raggiungere una migliore comprensione dei meccanismi di usura e di attrito, che così tanto influenzano il comportamento dei variatori continui. In particolare ci si soffermerà sul CVT con cinghia in gomma al fine di individuare le caratteristiche fisiche dei materiali e morfologiche delle superfici che maggiormente influenzano le caratteristiche di aderenza cinghia-puleggia.
L'attività di ricerca verrà articolata nelle seguenti fasi:
1) completamento e messa a punto di un banco prova per CVT a pulegge espandibili con cinghia di tipo Van Doorne. Studio teorico del contatto con attrito tra cinghia in gomma e pulegge: verrà studiata l'influenza della viscoelasticità del materiale e delle perdite per isteresi adesiva sulla estensione della effettiva area di contatto e sull'entità delle forze d'attrito (6 mesi, 20000, Euro).
2) studio sperimentale dei variatori CVT di tipo Van Doorne e con cinghia trapezoidale in gomma. Tale studio sperimentale verrà condotto sia in stazionario al fine di misurae le prestazioni dei CVT in termini di rendimento meccanico e potenza trasmissibile, sia in transitorio per valutarne la risposta dinamica durante le fasi di variazione del rapporto di trasmissione (4 mesi, 10000 Euro).
3) interazione ed interscambio con le altre unità di ricerca (2 mesi, 5000 Euro).
4) Confronto tra i risultati ottenuti dalla campagna di prove sperimentali e quelli previsti dai modelli teorici: i risultati sperimentali saranno utilizzati per verificare la bontà dei modelli teorici sviluppati e per migliorarli una volta comprese le ragioni delle differenze tra teoria ed esperimento. I modelli teorici così validati verrano proposti alle altre Unità di Ricerca come modelli di simulazione durante la fase di progettazione della strategia di gestione della trasmissione all'interno del complesso sistema veicolo (6 mesi, 10000 Euro).
5) Studio teorico del contatto cinghia puleggia con particolare riferimento all'influenza della rugosità delle superfici e della temperatura di lavoro sulle caratteristiche di aderenza della cinghia. Individuazione delle caratteristiche fisiche e morfologiche dei materiali in grado di incrementare le forze d'attrito, ridurre gli scorrimenti e, in definitiva, migliorare il rendimento meccanico del variatore. Misure sperimentali della densità spettrale di potenza delle superfici rugose oggetto si studio (6 mesi, 19000).

La fase 1 prevede il completamento di un banco prova per CVT già disponibile nei laboratori dell'Unità di Ricerca. Il banco, che è già stato utilizzato per valutare le prestazioni di tramissioni di tipo automobilistico, verrà modificato ad hoc in modo che possa ospitare una trasmissione sperimentale CVT Van Doorne belt-box. La trasmissione belt-box rappresenta il cuore del variatore a pulegge espandibili essa è costituita dalle sole due pulegge e dalla cinghia metallica a tasselli. Non è prevista alcuna ulteriore riduzione di velocità o la presenza del differenziale. Tale trasmissione è stata concessa alla Unità di Ricerca di Bari dal Advanced Development CVT-Systems Department della ditta Bosch-Van Doorne sita in Tilburg (NL). La messa a punto di tale CVT e le modifiche al banco prova già esistente verranno effettuate anche sulla base del Know-How che la Van-Doorne sta trasferendo alla Unità di Ricerca di Bari. I risultati che verranno prodotti nella fase 2 (si veda punto successivo) serviranno per testare la correttezza dei modelli teorici del variatore a cinghia metallica già sviluppati dalla Unità di Ricerca di Bari, questi ultimi saranno resi disponibili al Advanced development CVT-Systems Department - Van Doorne e alla Technical University of Eindhoven che li utilizzeranno al fine di una migliore progettazione delle strategie di controllo del variatore. In concomitanza con il completamento del banco prova, verrà condotto uno studio teorico del contatto con attrito tra cinghia in gomma e pulegge per i CVT con flessibile in materiale elastomerico di comune impiego negli scooter. Mediante l'uso di geometrie di contatto materiale polimerico-substrato rigido sufficientemente semplici, verrà studiata l'influenza della viscoelasticità del materiale e delle forze di interazione all'interfaccia (energia di adesione, isteresi adesiva) sulla estensione della effettiva area di contatto. Quest'ultima, infatti, è di importanza cruciale in quanto da essa dipende l'entità delle forze di attrito. Il materiale polimerico verrà descritto da un modello reologico lineare viscoelastico che permetterà di stimare la perdita di energia generata dalle deformazioni indotte dal substrato e quindi la resistenza per attrito.
Nella fase 2, si procederà alla campagna di prove sperimentali sul variatore CVT di tipo Van Doorne. Mediante modelli di Design of Experiment verranno decisi i piani di prova e, successivamente mediante tecniche di analisi dei dati verranno individuati i parametri geometri, cinematici e dinamici che più influenzano rendimento meccanico, coppia e potenza trasmissibili. Verrà, inoltre, studiata, da un punto di vista sperimentale, la relazione tra scorrimenti della cinghia, coppia trasmessa e spinte assiali sulle pulegge. Per quanto riguarda le fasi transitorie di variazione del rapporto di velocità, verrà analizzata sperimentalmente la relazione esistente tra rapidità di variazione del rapporto di trasmissione, coppia trasmessa e velocità di rotazione delle pulegge. Tale studio sperimentale verrà condotto anche nel caso del variatore CVT con cinghia trapezoidale in gomma. Tale studio consentirà di conoscere le spinte assiali necessarie a generare una determinata variazione del rapporto di trasmissione. Inoltre, sempre nel caso dei CVT con cinghia trapezoidale in gomma, si determinerà sperimentalmente l'evoluzione temporale delle perdite di potenza durante il transitorio. Infine, si procederà ad una mappatura della risposta dinamica delle due tipologie di variatore.
Nella fase 3, l'Unità di Ricerca di Bari si interfaccerà in special modo con l'Unità di Ricerca di Palermo che già in passato ha condotto studi sull'influenza della isteresi viscoelastica della cinghia in gomma sul comportamento meccanico del variatore. Nel caso specifico si analizzeranno i risultati teorici ottenuti dall'Unità di Bari e quelli dell'Unità di Palermo al fine di interpretarne fisicamente le conseguenze ed individuare quali possano essere i margini di ulteriore miglioramento. I risultati delle prove in stazionario del CVT verranno resi disponibili alla Unità di Ricerca di Palermo, che li userà per analizzare il comportamento delle trasmissioni Split-Path. La mappatura del comportamento dinamico del variatore verrà invece resa disponibile alle Unità di Ricerca di Torino e Firenze in modo che possano inserirle in un sistema complesso di simulazione del veicolo che tenga conto anche della risposta dinamica del variatore CVT. L'unità di ricerca di Torino infatti utilizzerà tali modelli per l'analisi HIL del comportamento dinamico di veicoli equipaggiati con trasmissioni continue, l'Unità di Ricerca di Firenze invece li utilizzerà per l'analisi HIL delle prestazioni in termini di consumi ed emissioni inquinanti di veicoli equipaggiati con CVT. Per quanto riguarda l'interazione con l'Unità di Ricerca di Roma, si provvederà a fornire alla medesima Unità di Ricerca alcuni codici di calcolo per analizzare le problematiche del contatto lubrificato EHL negli azionamenti a calcolo. Tali codici sono già disponibili presso l'Unità di Ricerca di Bari in quanto già sviluppati in relazione a simili problemi di contatto presenti tra rollers e dischi nelle trasmissioni CVT toroidali.
Nella fase 4 del programma di ricerca verranno messi a confronto i risultati delle prove sperimentali con quelli dei modelli teorici del comportamento dinamico del variatore già disponibili presso l'Unità di Ricerca di Bari (sviluppati grazie ai finanziamenti COFIN 2000 e 2002). Il confronto permetterà di individuare i punti deboli dei modelli teorici, di stabilirne il campo di attendibilità e di individuare le azioni correttive e i margini di miglioramento. Una volta validati, questi modelli potranno essere usati per prevedere il comportamento dinamico del variatore in funzione della geometria dello stesso. Essi, inoltre, potranno essere usati in sostituzione della mappatura ottenuta dai dati sperimentali la cui validità risulta ovviamente limitata al variatore oggetto dell'indagine sperimentale.
Dopo un ulteriore confronto con le altre unità di ricerca, la quinta ed ultima fase del progetto sarà dedicata allo studio teorico del contatto cinghia puleggia con particolare riferimento all'influenza della rugosità delle superfici e della temperatura di lavoro sulle caratteristiche di aderenza della cinghia. Si stimerà la dipendenza del coefficiente d'attrito dalla velocità di scorrimento della cinghia. Il modello d'attrito così sviluppato verrà utilizzato per sviluppare un modello di comportamento meccanico del variatore con cinghia in gomma al fine di individuare le caratteristiche fisiche dei materiali e geometriche del variatore in grado di incrementare le forze d'attrito, ridurre gli scorrimenti e migliorare il rendimento meccanico del variatore. Contemporaneamente, verrà misurata mediante opportuna apparecchiatura sperimentale la densità spettrale di potenza delle superfici rugose oggetto di studio, al fine di utilizzare tali misure come dati di input nel modello di attrito proposto.