RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di PALERMO - MECCANICA - PALERMO(PA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Francesco SORGE

Descrizione

Obiettivo della ricerca della nostra unità operativa è quello di migliorare le prestazioni ottenibili dalle trasmissioni a variazione continua del rapporto, 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. Tali prestazioni saranno da valutare nelle due principali condizioni operative, quella stazionaria e quella transitoria di "shift" del rapporto di trasmissione.
La nostra unità si è orientata già da tempo verso l'analisi e la sperimentazione di sistemi a doppia via comprendenti variatore e rotismo epicicloidale con funzionamento bi-modale. Si pensa di realizzare il primo modo in configurazione "split-way", per la copertura del range "retromarcia-prima", con possibilità di erogazione di coppie più elevate, ed il secondo modo, più veloce, in configurazione a semplice via per un più rapido spostamento del veicolo. Tale organizzazione bi-modale permette di superare l'inconveniente principale della versione uni-modale, cioè l'aumento della classe del variatore e quindi il peggioramento del rendimento complessivo conseguente all'ampliamento dell'apertura della tramsissione. In quest'ottica, risulta molto importante la collaborazione che può instaurarsi con altre unità afferenti allo stesso progetto di ricerca, ed in particolare con quelle di Torino e di Firenze, ove si possono svolgere prove di simulazione del comportamento della trasmissione bimodale a due vie sul veicolo, utilizzando banchi hardware-in-the-loop.
Già risultano in letteratura alcune realizzazioni di trasmissioni continue in versione bi-modale, che in alcuni casi includono anche folle e retromarcia. Tali proposte denotano l'interesse dei ricercatori per questo tipo di soluzioni.
La nostra unità di ricerca ha già da tempo svolto una disamina sistematica della vastissima gamma di soluzioni possibili e particolare attenzione si vuole rivolgere allo studio ed alla progettazione degli attuatori meccanici automatici destinati a controllare il rapporto di trasmissione e le spinte assiali di chiusura sulle semipulegge. Si vuole in pratica intervenire modificando la geometria degli attuatori, in sede di progetto e di realizzazione effettiva, al fine di una migliore corrispondenza con le caratteristiche desiderate e quindi di auspicabili miglioramenti in termini di prestazioni e di rendimento.
L'intento della nostra unità di ricerca è perciò, dopo aver validato sperimentalmente le analisi teoriche relative al comportamento meccanico degli attuatori mediante rilievi di coppia, velocità e spinta assiale di chiusura, quello di procedere alla progettazione ed alla realizzazione di nuove geometrie degli attuatori stessi per adeguare meglio il variogramma funzionale alla mappa caratteristica del motore, limitando le forze di chiusura ai valori minimi necessari per la trasmissione della coppia ed evitando alla cinghia inutili sovraccarichi.
In parallelo, le attrezzature ed i dispositivi con i quali si effettuerà la sperimentazione in parola consentiranno anche la verifica dei modelli teorici richiamati al precedente punto 2.4, aventi per oggetto il comportamento meccanico dei variatori a cinghia nelle fasi transitorie di "shift" del rapporto di trasmissione, che poi sono di gran lunga le più frequenti nelle comuni condizioni operative dei veicoli equipaggiati con CVT. E' evidente che occorre distinguere due principali categorie di variatori a cinghia, con caratteristiche meccaniche di comportamento del tutto differenti: i variatori a cinghia di gomma, ove è fondamentale l'influenza della deformazione elastica della cinghia, i cui effetti si sovrappongono al moto radiale complessivo conseguente all'apertura/chisura della puleggia, ed i variatori a cinghia metallica, in cui la configurazione istantanea della cinghia è strettamente dipendente dalla deformazione elastica delle semipulegge. Nel caso di cinghia di gomma in particolare, la circostanza che l'angolo d'attrito supera generalmente quello di gola della puleggia comporta traiettorie della cinghia del tutto atipiche in fase di chiusura della puleggia, con estesi archi d'aderenza a spirale che si avvolgono verso l'interno nel senso della rotazione. Analoghi archi d'aderenza a spirale, ma con avvolgimento verso l'esterno, si riscontrano anche in fase d'apertura della puleggia.
La diversità tra le due categorie di variatori si riflette sui corrispondenti modelli matematici ed anche sui rilievi sperimentali da eseguire per la verifica dei modelli stessi. La letteratura offre pochissimi studi teorici o risultati sperimentali su tali argomenti specifici ed una vasta ed adeguata sperimentazione in condizioni non stazionarie potrebbe fornire importantissimi sviluppi se i modelli teorici originali sopra citati trovassero conferma, in quanto se ne potrebbe estendere e generalizzare la validità applicandoli allo studio della risposta dinamica su strada di veicoli di vario tipo con trasmissione a variazione continua.
In tale indagine, è essenziale il vantaggio sinergico derivante dalla collaborazione che si instaurerà con l'unità operativa di Bari, impegnata in temi di ricerca del tutto analoghi.

Lo svolgimento del progetto di ricerca dovrebbe articolarsi grosso modo in cinque fasi.
Nella prima fase si prevede di perfezionare le analisi teoriche precedentemente descritte, individuando e scegliendo soluzioni alternative e/o migliorative, sia per quanto riguarda lo schema della trasmissione CVT bi-modale e sia per quanto riguarda la progettazione ottimizzata dei dispositivi attuatori, il tutto con il fine del contenimento della classe del variatore e delle perdite di potenza. Si esamineranno nel contempo tutte le problematiche connesse con il loro progetto e la loro realizzazione (4-6 mesi circa).
La seconda fase, che in pratica si svolgerà quasi contemporaneamente alla prima, è dedicata al perfezionamento dei modelli teorici riguardanti il funzionamento in condizioni non stazionarie dei variatori con cinghia di gomma o metallica (4-6 mesi circa).
In una terza fase si prevede un confronto con le ricerche di base in corso presso le altre unità, con scambio reciproco di risultati, ai fini di eventuali modifiche o correzioni da apportare alla ricerca sperimentale in corso di preparazione, e dell'organizzazione della cooperazione tra le sedi relativamente alla sperimentazione. In particolare, gli scambi con la sede di Bari riguarderanno il transitorio dei CVT e gli aspetti viscoelastici del comportamento dinamico delle cinghie di gomma (2-3 mesi circa).
La quarta fase prevede la costruzione di un banco per la prova di trasmissioni meccaniche complesse a variazione continua e la realizzazione pratica di nuovi dispositivi per il controllo delle variabili caratteristiche del CVT: forza di chiusura e rapporto di velocità. Alla fase costruttiva seguirà l'esecuzione di tutte le misure sperimentali. Esse riguarderanno da un lato lo studio delle trasmissioni a doppia via bi-modali e dall'altro il comportamento dei variatori a cinghia in transitorio. La trasmissione complessa sarà anche proposta alle unità di Torino e Firenze per test di simulazione del comportamento complessivo del veicolo su banchi HIL(6-10 mesi circa).
La quinta fase sarà dedicata alla pubblicazione dei risultati finali, oltre che ad incontri e confronti con i colleghi delle altre sedi per un esame comparativo delle ricerche di ciascuno ed un'integrazione dei dati ottenuti (4-6 mesi circa).
E' evidente che la fase sperimentale richiederà l'impiego di una cospicua strumentazione per l'acquisizione dei dati, in considerazione del rilevante numero di misure da effettuare in contemporanea sui vari componenti. Si prevede pertanto il potenziamento in tal senso della dotazione del nostro dipartimento (torsiometri, tachimetri, freni, software, ecc.).
Concludendo si evidenzia che, in parallelo alla ricerca sui CVT complessi e sui transitori dei variatori, continuerà l'attività di ricerca teorica della nostra unità sui vari altri temi riguardanti in generale la meccanica delle trasmissioni a cinghia già ricordati nel punto "base di partenza scientifica" (comportamento viscoelastico delle cinghie di trasmissione in gomma, deformazioni combinate di cinghia e puleggia nel caso di cinghia metallica, analisi delle "boundary regions" dell'arco d'avvolgimento, aspetti tribologici del contatto, ecc.).