Appunti di Propulsione Dei Veicoli Elettrici

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1 Appunti di Propulsione Dei Veicoli Elettrici 11 agosto 2010

2 Indice 1 Introduzione Propulsione e Trazione Classificazione dei veicoli I veicoli terrestri Veicoli marini I veicoli aerei I sistemi di propulsione I sistemi motopropulsori Grandezze meccaniche Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione La Strada Generalità Andamento planimetrico Profilo altimetrico Strada ferrata

3 INDICE Strada ordinaria I veicoli I rotabili ferroviari Componenti principali Schema del rodiggio Trasmissione del moto La ruota automobilistica Propulsione ad aderenza naturale Sistema di forze presenti Il fenomeno dell aderenza Slittamento e pattinamento Il coefficiente di aderenza Resistenze al moto Coppia cinematica ruota rotaia Resistenze all avanzamento Resistenze in piano e rettifilo Resistenze al rotolamento Resistenze dovute all aria Resistenza complessiva al moto in piano e rettifilo Resistenze addizionali Resistenze di inerzia Resistenza complessiva al moto

4 INDICE 3 6 Meccanica della locomozione Generalità Equazione del moto Diagramma di trazione Forza e velocità richiesta dal diagramma di trazione Caratteristica meccanica di un mezzo di trazione Caratteristiche meccaniche delle macchine Tipi di caratteristiche naturali (o intrinseche) delle macchine Limiti nell uso delle caratteristiche Relazioni tra i fattori della potenza del veicolo e del motore Il rapporto di riduzione e la catena dei rendimenti Verifica ed analisi e sintesi di progetto Verifica ed analisi Sintesi di progetto Circolazione ferroviaria Velocità media Velocità commerciale Esigenze di esercizio Peso frenato Variazioni di carico sugli assi di una locomotiva: cabraggio Limiti della velocità di marcia La frenatura Caratteristiche generali Caratteristiche di un freno ferroviario

5 INDICE Frenatura pneumatica Freni a ceppi Freni a disco Confronto tipi di freno Cilindro freno Sistema pneumatico di distribuzione a bordo Sistema di frenatura pneumatico Frenatura elettrica Generalità Frenatura elettrico reostatica Frenatura elettrica a recupero Frenatura mista Motore a corrente continua Equazioni generali dei motori a c.c Bilancio energetico Tipi di eccitazione Caratteristiche dei motori a corrente continua Caratteristiche di eccitazione Motore autoeccitato in derivazione Motore autoeccitato in serie Caratteristica elettromeccanica velocità di rotazione-corrente Caratteristica elettromeccanica coppia-corrente Caratteristica meccanica velocità di rotazione-coppia Ripercussione della saturazione sulla caratteristica meccanica.. 183

6 INDICE Osservazioni conclusive sul motore serie Differenze tra il motore serie e quello autoeccitato in derivazione Motore compound Motore monofase a collettore Generalità Il motore serie alimentato in c.a. monofase Caratteristiche del motore monofase a collettore Dimensionamento del motore Flusso per polo Tensione di alimentazione Collettore Potenza per polo Prestazioni dei mezzi di trazione Potenza del trasformatore Limiti di prestazione Frenatura elettrica Frenatura reostatica Frenatura a recupero Regolazione del motore a corrente continua Caratteristiche generali Motore serie alimentato direttamente in c.c. dalla linea di contatto Regolazione reostatica Influenza della variazione della tensione di alimentazione

7 INDICE Indebolimento di campo La frenatura elettrodinamica con il motore a c.c Frenatura elettrica di un motore autoeccitato in serie Caso di più motori: Frenatura a campi incrociati Frenatura con eccitazione separata Frenatura con eccitazione separata e ponte compensatore Teoria del recupero in frenatura Avviamento e regolazione del motore compound Avviamento e regolazione del motore in derivazione La regolazione del motore monofase Graduatore per regolazione sulla basso tensione Graduatore per regolazione sull alta tensione La regolazione del motore monofase a frequenza industriale (motori diretti) Mezzi di trazione a Chopper Generalità Principi di funzionamento Chopper alimentato da sorgente di induttanza trascurabile Circuito utilizzatore d induttanza fluita Il problema delle armoniche Armoniche nel circuito utilizzatore Armoniche in linea Il filtro di ingresso Armoniche della corrente assorbita

8 INDICE Limiti della regolazione di tensione Collegamenti tra convertitore e motori di trazione Costituzione del convertitore Impedenza a 50 (o a 60) Hz Prestazioni Regolazione di campo Caratteristica meccanica Correnti assorbite in marcia Corrente media quadratica Consumi di energia Regolazione reostatica continua Azionamenti trifasi Dal motore a collettore al motore trifase Azionamenti trifasi L azionamento trifase asincrono Regolazione del motore Il convertitore trifase Convertitore a tensione impressa Comando a onda piena Soluzioni monostadio e bistadio Convertitore a corrente impressa Armoniche Frenatura a recupero Applicazioni dell azionamento trifase asincrono

9 INDICE Mezzi di trazione diesel elettrici Mezzi di trazione a corrente alternata monofase Mezzi di trazione a corrente continua L azionamento trifase sincrono Principio di funzionamento Funzionamento autosincrono Commutazione assistita Il prototipo della SNCF Considerazioni conclusive Sistemi elettrici di alimentazione e di locomotiva Il sistema di alimentazione Il sistema di potenza di una locomotiva Il sistema dei circuiti ausiliari di una locomotiva Propulsione elettrica navale I veicoli nei fluidi Galleggiamento, Equilibrio e Stabilità dei Natanti Le Resistenze Navali Propulsione ad Elica

10 Capitolo 1 Introduzione 1.1 Propulsione e Trazione Il significato letterale di propulsione è spinta in avanti. Questa definizione presuppone l esistenza di una forza capace di imprimere il moto ad un corpo utilizzando la sua reazione di inerzia per cui questo può essere spinto in una determinata direzione vincendo la resistenza al moto. L energia necessaria al veicolo per ottenere e mantenere il moto può essere muscolare (umana o animale), naturale (il vento), oppure meccanica tramite la propulsione, cioè un sistema capace di trasformare energia di altra forma in energia capace a fare avanzare un veicolo. Le energie muscolare e naturale non consentono ai mezzi di locomozione di raggiungere velocità significative o di trasportare consistenti quantità di merci, cosa questa divenuta possibile con l impiego dei motori che trasformano alcune forme di energia in energia meccanica cioè quella che una macchina e/o sistema è in grado di restituire sotto forma di lavoro o di energia cinetica. L invenzione del motore a vapore, del mo-

11 1.2 Classificazione dei veicoli 10 tore elettrico e del motore a combustione interna ha rappresentato il punto di partenza per le applicazioni della propulsione dei mezzi di locomozione di ogni genere: terrestre, marittimo ed aereo. Il termine trazione si riferisce ai veicoli per trasporti terrestri e particolarmente a quelli su ruote, lasciando il termine propulsione alle applicazioni navali ed alle aplicazioni aeree e/o missilistiche. Trazione e propulsione sono quindi termini sinonimi e si riferiscono all ottenimento del moto di un mezzo terrestre di avanzare, di traslare. Si parla in questo anche di locomozione e di mezzi di locomozione. 1.2 Classificazione dei veicoli I veicoli vengono classificati secondo l ambiente impegnato: terra, acqua, aria. I veicoli si distinguono, pertanto, in: ˆ veicoli terrestri; ˆ veicoli marini; ˆ veicoli aerei. I veicoli, in qualunque ambiente essi si muovano, possono essere dotati di motore o non, a seconda che l energia per il moto sia fornita da un motore o da una fonte naturale. La tipizzazione dei mezzi di trasporto e/o veicoli terrestri, navali, aerei è strettamente legata al motore disponibile (per quelli che ne sono dotati), al suo peso, al peso dell energia che è possibile portare sul veicolo stesso, alla potenza con cui l energia può essere erogata ed infine al rendimento della trasformazione dell energia stessa.

12 1.2 Classificazione dei veicoli 11 Per esempio con la macchina a vapore ed il motore elettrico si sono sviluppate le ferrovie di ogni tipo, da quelle di grande comunicazione a quelle urbane, mentre con l utilizzo del motore a combustibile liquido o gassoso si è sviluppato il trasporto stradale, navale ed aereo. Il moto dei veicoli richiede tre funzioni necessarie e cioè quelle di: ˆ Propulsione. ˆ Sostentazione. ˆ Guida. La propulsione è l insieme del propulsore, propiramente detto, e del sistema di propulsione. Il propulsore è l elemento della propulsione che fornisce l energia (in qualsiasi forma), mentre il sistema di propulsione è quello che la trasforma in energia di traslazione e quindi è quello che conferisce il moto al veicolo. L ambiente condiziona anche il sistema di propulsione ed il tipo di sostentazione del veicolo I veicoli terrestri Il mezzo di sostentazione più diffuso per i veicoli terrestri è la ruota. Essa può essere di gomma (si parla di strada ordinaria) o d acciaio (si parla di strada ferrata). A dimostrazione del fatto che la ruota è il mezzo si sostentazione più diffuso, i veicoli terrestri si distinguono in: ˆ veicoli su strada ordinaria (a guida libera, il moto è bidimensionale); ˆ veicoli su strada ferrata (a guida vincolata, il moto è unidimensionale).

13 1.2 Classificazione dei veicoli 12 Per i veicoli terrestri la ruota rappresenta anche il sistema di propulsione ed insieme al motore (propulsore) costituisce la propulsione. La guida può essere libera o vincolata a seconda se il moto della traiettoria è vincolato o meno. Sulla strada ordinaria abbiamo una guida libera (il moto della traiettoria è bidirezionale), mentre sulla strada ferrata la guida è vincolata ( il moto della traiettoria è monodirezionale). Il propulsore più diffuso è il motore (a vapore, a combustione liquida o gassosa e elettrici). La loro nascita e il loro sviluppo ha condizionato lo sviluppo dei mezzi di propulsione terrestri e ne ha caratterizzato tutt ora la loro tipizzazione Veicoli marini I veicoli marini (natanti) possono essere: ˆ di superficie, il moto è bidimensionale ; ˆ subacquei, il moto è tridimensionale. I veicoli di superficie possono essere, in relazione al tipo di sostentazione, a spinta idrostatica ed a spinta idrodinamica. I veicoli a spinta idrostatica (natanti di superficie o sommergibili) possono essere dotati o meno di motore mentre i veicoli a spinta idrodinamica (aliscafi) sono dotati di motore (in questo caso l elica rappresenta il sistema di propulsione). La guida è libera I veicoli aerei I veicoli aerei possono essere dotati o meno di motore; quelli dotati di motore insieme all elica costituiscono il sistema di propulsione. Sempre per i veicoli dotati di motore

14 1.3 I sistemi di propulsione 13 la sostentazione è affidata alle ali aerodinamiche (con ala fissa o rotante), il moto è tridimensionale. 1.3 I sistemi di propulsione Per l avanzamento di un veicolo l energia che esso sviluppa deve essere trasformata in energia meccanica di traslazione dal suo sistema di propulsione. L energia traslatoria può essere ottenuta con tre sistemi di propulsione: 1. Ruota motrice: esso sfrutta il fenomeno dell aderenza tra una ruota a cui è applicata una coppia motrice e la strada sia essa ordinaria o ferrata. In questo caso la ruota ha funzione di sostentazione e di propulsione. Tale sistema è quello più diffuso per i veicoli terrestri. L insieme ruota/rotaia è denominato coppia cinematica. 2. elica traente o spingente: sfrutta il fenomeno della reazione all impulso necessario per creare una variazione della quantità di moto di un apposita massa del fluido ambiente. Il sistema elica/fluido ambiente si realizza con il contatto di un solido con un fluido (aria o acqua). E il sistema più diffuso per il trasporto navale ed in parte per quello aereo, mentre non ha trovato grande applicazione nel trasporto terrestre. L elica può essere propulsiva o trattrice cioè spingente o traente; nel primo caso (veicoli marini) l elica è posta nella parte posteriore del veicolo, nel secondo caso l elica è posta anteriormente (veicoli aerei) e quindi la scia investe una parte della superficie del veicolo aereo. Il motore, direttamente o tramite riduttore, fa girare l asse su cui è calettato il mozzo dell elica, quest ultima, con il suo moto, provoca un accelerazione del fluido elaborato.

15 1.3 I sistemi di propulsione Getto o reazione: esso si realizza con lo scarico ad alta velocità di un fluido in un altro fluido reattore/acqua o aria o fuori atmosfera. E utilizzato nel trasporto navale e soprattutto in quello aereo o missilistico. La sostentazione del veicolo è affidata alla spinta idrostatica, idrodinamica o aerodinamica attraverso le ali I sistemi motopropulsori Quando la propulsione è costituita da un qualsiasi sistema di propulsione e dal motore come propulsore essa costituisce il sistema motopropulsore, come rappresentato in Figura Propulsore Termico Motore Elettrico Sistema di Trasmissione η < 1 M η < 1 t Unità di propulsione Ruota motrice η = 1 r Elica η < 1 e Figura 1.3.1: Il sistema motopropulsore Tra il motore e l organo di propulsione è in genere interposto un sistema di trasmissione. La trasformazione dell energia meccanica fornita dal motore in energia di traslazione per l avanzamento del veicolo avviene attraverso il sistema di propulsione. I sistemi di motopropulsione si possono perciò così classificare come in Figura Si noti che, nei sistemi motopropulsori del tipo motore/ruota motrice e motore/elica, l unità propulsiva è distinta dal motore mentre nel sistema con motore a getto, l unità

16 1.3 I sistemi di propulsione 15 Utilizzante l aderenza ruota/strada (ruota-motore con energia termica o elettrica) Utilizzante la reazione all impulso necessario per creare una variazione della quantità di moto di una apposita massa (energia termica) Motore di qualsiasi tipo (elettrico o termico) con organi di trasmissione della potenza alle ruote motrici Dipendente dal fluido ambiente (aria o acqua) Inipendente dal fluido ambiente Elica Getto Endoreattore Motoelica Turboelica (è un ibrido) Aeroreattore o esoreattore Autoreattore pulsoreattore (non sono presenti parti mobili) Turboreattore (sono presenti parti mobili) Figura 1.3.2: Classificazione dei sistemi motopropulsori propulsiva è insita nel motore. Negli aeroreattori, la massa di fluido trattata è prevalentemente quella captata dall ambiente esterno ed, in misura minore, quella prelevata dai serbatoi del veicolo. Il tutto dopo la combustione viene espulso a grande velocità. L accensione della miscela aria-combustibile può essere ottenuta per mezzo di una scintilla o per effetto della temperatura elevata raggiunta nella compressione. Negli endoreattori, la massa di fluido trattata è solo quella prelevata dai serbatoi dei veicoli, per cui questi sono utilizzabili dove l aria non è presente. Si deve tener conto inoltre, di veicoli terrestri e marini non convenzionali dal punto di vista della sostentazione e della propulsione. I veicoli non convenzionali possono essere a guida libera di tipo automobilistico (hovercraft) o vincolati di tipo ferroviario (aerotreno e veicoli con motore elettrico lineare).

17 1.4 Grandezze meccaniche 16 Veicoli non convenzionali Sostentazione Propulsione Su cuscinetto d aria Su cuscinetto magnetico Elica Getto Azione elettromagnetica hovercraft hovercraft aerotreno hovercraft aerotreno Motore elettrico lineare Figura 1.3.3: I veicoli non convenzionali 1.4 Grandezze meccaniche Nel moto di un veicolo entrano in gioco due componenti: ˆ una essenzialmente tecnica (sforzo di trazione); ˆ una essenzialmente economica (velocità). Nel moto del singolo motore si deve tener conto della coppia e delle velocità di rotazione. La grandezza meccanica che tiene conto di entrambi i parametri è la potenza. Lo sforzo di trazione dipende dal veicolo e dal carico. Le prestazioni di un veicolo dipendono dalla potenza installata a bordo, dalla velocità, dal carico utile e dai consumi. La velocità dipende da una scelta economica tra l opportunità di coprire le distanze nel minor tempo possibile e la necessità di contenere i costi di esercizio. Un importante parametro è il rapporto potenza/peso del motore installato sul veicolo.

18 1.5 Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione Con riferimento ai veicoli terrestri, ai fini della locomozione, un apparato motore ideale è quello in cui si può sfruttare la massima potenza ad ogni velocità in qualsiasi condizione di marcia (salita, piano ecc) ed in qualunque fase del moto (avviamento, regime, ecc). In trazione il legame cinematico tra rotazione del motore ed avanzamento del veicolo è, in prima approssimazione, rigido. Infatti se si prescinde dagli organi di trasmissione e si considera l albero del motore collegato direttamente alle ruote motrici, per il fenomeno dell aderenza ruota/strada, il moto di avanzamento del veicolo è diretta conseguenza della rotazione dell albero motore ai diversi regimi di rotazione. Nella propulsione di un mezzo di locomozione si possono avere diverse trasformazioni di energia: ˆ nei motori termici si ha una trasformazione di energia chimica in energia termica e quindi in energia meccanica. Questo spiega il basso rendimento; ˆ nei motori elettrici si ha una trasformazione di energia elettrica in energia meccanica. Gli accumulatori elettrici trasformano energia chimica in energia elettrica. L energia elettrica può essere trasformata in energia chimica, termica e meccanica e viceversa. I motori elettrici che trasformano energia elettrica in energia meccanica fino a poco tempo fa erano essenzialmente macchine rotanti che trasformavano l energia elettrica in energia meccanica disponibile ad un albero (asse motore). La potenza resa, partendo da tensione e corrente, era data dal prodotto della coppia per la velocità di rotazione

19 1.5 Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione 18 dell albero. Negli ultimi tempi si sono diffusi motori elettrici senza organi in rotazione, essi trasformano direttamente l energia elettrica in energia meccanica di traslazione. Tali macchine sono denominate motori lineari; la loro potenza è data dal prodotto della forza di traslazione per la velocità di traslazione della parte mobile. F limite di aderenza P limite di potenza F v Figura 1.5.1: Caratteristica ideale in trazione E ideale, per la trazione, un motore che fornisca una potenza costante al variare della velocità del veicolo che esso muove (Figura 1.5.1). Dal punto di vista grafico, la curva che lega la potenza motrice al regime di rotazione è detta caratteristica elettromeccanica (di potenza), mentre la curva coppia/velocità di rotazione è detta caratteristica meccanica. Nel caso di un motore ideale, tale caratteristica è costituita da una retta orizzontale (Figura 1.5.2). La potenza di una macchina può essere espressa come prodotto della velocità di rotazione ω per la coppia motrice C al suo albero. La coppia motrice del motore ideale è quindi rappresentabile in funzione di ω (Figura 1.5.2) con un iperbole equilatera. La curva di coppia iperbolica (motori ideali) in funzione di ω consente, senza l introduzione di trasmissioni a rapporto variabile, una caratteristica meccanica di trazione

20 1.5 Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione 19 alle ruote di tipo autoregolatrice, con elasticità costante a qualsiasi regime di rotazione. Infatti, essendo tale curva decrescente, per una variazione in un senso o nell altro della velocità del veicolo (connessa con un aumento ed una riduzione della coppia resistente), la coppia motrice alle ruote varierà nel senso opposto con continuo adattamento alla coppia resistente senza interventi esterni. Essendo poi l elasticità di una iperbole equilatera costantemente uguale a -1 tale caratteristica del motore sarà uguale ad ogni regime di rotazione. L elasticità e è espressa dalla relazione: che nel caso C = K/n, diviene: e = C n n C e = K n 2 n C = 1 Considerazioni opposte a quelle dei motori ideali si hanno nel caso di motori per i quali la potenza cresce linearmente con la velocità, essendo costante la coppia al variare del numero di giri (Figura 1.5.2). In questo caso, una trasmissione a rapporto costante genererebbe una caratteristica meccanica inidonea alla trazione. Infatti al variare dei regimi di marcia, da un lato non si avrebbe la possibilità di sfruttare la massima potenza del motore e dall altro la coppia motrice non potrebbe adeguarsi automaticamente alle variazioni della coppia resistente. In trazione il motore viene considerato per ciò che produce alla periferia delle ruote motrici del veicolo sul quale è montato, e quindi ci si riferisce, in questo caso a quella che abbiamo definito caratteristica meccanica della macchina di trazione che è rappresentata (Figura 1.5.1) nel piano F (sforzo di trazione in kg), v (velocità del veicolo in km/h). Quindi, per intenderci, quando ci si riferisce al motore, i fattori di potenza, cioè quelli nei quali si traduce la potenza del motore stesso, sono la coppia C e la velocità

21 1.5 Generalità sui motori per veicoli e/o mezzi di locomozione 20 angolare ω ( o il numero di giri n), e le curve che fornisce il motore sul banco di prova sono le curve caratteristiche del motore, quando invece ci si riferisce al veicolo automotore, che utilizza quindi il motore di cui è equipaggiato, i fattori di potenza sono lo sforzo di trazione F e la velocità v e le curve che si utilizzano sono quelle dette caratteristica meccanica. Coppia costante Potenza costante Velocità costante P,C C P P,C C P P,C P C Motore a combustione interna ω ω ω Motore elettrico Figura 1.5.2: Caratteristica meccanica dei motori I motori usati più comunemente in trazione, si possono suddividere in tre categorie ben distinte: ˆ motori che si avvicinano per loro natura al motore a potenza costante; ˆ motori a coppia costante; ˆ motori a numero di giri costante. Nel primo gruppo rientrano tutti i motori nei quali la coppia motrice varia in proporzione inversa alla velocità e dunque i motori a vapore a stantuffo, i motori elettrici a corrente continua eccitati in serie e i motori elettrici monofase, pure ad eccitazione in serie. Nel secondo gruppo rientrano i motori a combustione interna (a scoppio e Diesel) e nel terzo i motori elettrici a campo magnetico rotante, o ad eccitazione in parallelo.

22 Capitolo 2 La Strada 2.1 Generalità Per determinare le prestazioni che deve fornire un equipaggiamento elettrico di trazione occorre conoscere la meccanica della locomozione, ne consegue che è indispensabile la conoscenza degli elementi costitutivi di una strada, sia essa ordinaria o ferrata, e di un rotabile (su strada ordinaria oppure ferro-tramviaria). Anche se si tratta dunque di concetti semplici, la cui conoscenza è abbastanza diffusa, per motivi di chiarezza espositiva, si richiamano gli elementi principali costitutivi di una strada. Per definizione: La strada, sia ordinaria che ferrata, è una successione di livellette poste in piani orizzontali o inclinati. L ascesa e la discesa di una determinata livelletta e cioè la sua pendenza viene definita mediante la tangente dell angolo di inclinazione di detta livelletta sull orizzontale. Tale tangente viene espressa in Italia mediante una frazione propria avente per

23 2.2 Andamento planimetrico 22 denominatore 100 se trattasi di strade ordinarie e se trattasi di strade ferrate o per meglio dire di ferrovie. La proiezione dell asse stradale su un piano orizzontale della successione di tali livellette fornisce l andamento planimetrico della linea mentre la proiezione su un piano verticale fornisce il profilo altimetrico. 2.2 Andamento planimetrico L andamento planimetrico è una successione di tratti rettilinei raccordati tra loro con curve costituite in genere da archi di cerchio, aventi raggi di curvatura variabili in funzione della velocità massima con la quale il veicolo può percorrere la curva stessa senza compromettere le sue condizioni di stabilità e di comfort. Quando un qualsiasi veicolo percorre una curva, per effetto della velocità, nasce una forza centrifuga (applicata al suo baricentro e diretta verso la zona esterna della curva) che tende in sostanza ad opporsi all instradamento del veicolo nella curva stessa. Per limitare tale azione come noto, in una strada ordinaria, si inclina il piano stradale mentre, in una strada ferrata si sopraeleva la rotaia esterna rispetto a quella interna. In tal modo, un aliquota della forza peso P e cioè la componente della forza secondo la direzione del piano inclinato, tende a compensare la forza centrifuga F c (Figura ). È naturale che la sopraelevazione della rotaia esterna deve essere non eccessiva e tale da compensare in modo solo parziale la forza centrifuga che si manifesta alla piena velocità, in caso diverso, a velocità inferiori alla massima o in occasione di fermate del mezzo in curva, si creerebbero delle forze nel veicolo che tenderebbero a far spostare gli oggetti i verso l interno della curva.

24 2.3 Profilo altimetrico 23 L ordine di grandezza di tale sopraelevazione è di 15 20cm. Se si indicano rispettivamente con: ˆ a l accelerazione centrifuga teorica corrispondente, per una data curva, alla forza centrifuga relativa ad una certa velocità; ˆ a 0 l aliquota della precedente, compensata in modo fittizio con la sopraelevazione della rotaia; ˆ a 1 l accelerazione efficace o non compensata; vale ovviamente la relazione: a 1 = a a 0 L ordine di grandezza dell accelerazione efficace è di 0,6 0,9 m/s 2 ; il valore massimo capace di non provocare effetti di disturbo eccessivi al passeggero è di circa 1 m/s 2 nei convogli tradizionali e di 1,3 m/s 2 nel caso dell alta velocità. Se si superano questi ordini di grandezza, si peggiorano le condizioni di comfort del moto. Poiché l accelerazione centrifuga dipende in generale dalla velocità e dal raggio di curvatura (a = V 2 /R), all aumentare della velocità si deve aumentare anche il raggio di curvatura, proprio per evitare valori eccessivi di accelerazione non compensata. L ordine di grandezza dei raggi minimi di curvatura per linee direttissime, di grande o media importanza è rispettivamente di 1000, 500 e 250m. 2.3 Profilo altimetrico Le singole livellette possono essere orizzontali o inclinate: la eventuale pendenza è valutata in base alla tangente dell angolo formato tra la livelletta ed il piano orizzontale.

25 2.4 Strada ferrata 24 Tale tangente è in genere espressa tramite una frazione avente al denominatore il numero 1000 (pendenza dell x per mille). Tali pendenze non superano, in genere, valori del per mille. Per evitare sollecitazioni anomale al materiale rotabile (e quindi un peggioramento del comfort di viaggio), le variazioni tra due livellette non devono essere a spigoli vivi bensì devono essere realizzate con gradualità. Si ricorre pertanto a raccordi con superfici cilindriche, a direttrici paraboliche o circolari con opportuna curvatura. 2.4 Strada ferrata La strada ferrata propriamente detta è sostanzialmente costituita da una piattaforma di base (lo piano di formazione) e dal sovrastante armamento, comprendente la massicciata, le traverse e le rotaie. La funzione della massicciata è di ripartire su una superficie maggiore i carichi concentrati rotolanti sulla rotaia e di costituire una base convenientemente elastica al passaggio dei treni. Inoltre la massicciata impedisce lo scorrimento delle traverse e garantisce lo smaltimento delle acque meteoriche. Essa è costituita da pietrisco a spigoli vivi, di pezzatura compresa tra 30 e 60 mm, con coefficiente di attrito interno superiore a 45. La sua forma, che in rettifilo è quella di un trapezio isoscele con i lati inclinati di 3/4, e le sue dimensioni variano in relazione allo spessore minimo da garantire sotto le traverse, variabile con i carichi previsti (in genere 25 o 35 cm.), allas opraelevazione in curva e all interasse tra i binari, nel caso di linee a doppio binario. Le traverse costituiscono la base di fissaggio delle rotaie. Fino ad alcuni anni fa, la maggior parte delle traverse erano in legno (rovere, larice, ecc.) impregnato (i prodotti antisettici sostituivano la linfa e l umidità presente nei vacuoli, così da favorire

26 2.4 Strada ferrata 25 la conservazione del legno), di forma parallelepipeda, con dimensioni di 260x24x16cm, caratterizzate dalla elevata elasticità e dal peso limitato ( kg). Attualmente si sono diffuse quelle in cemento armato precompresso, lunghe 230 cm per velocità fino a 200km/h o 260cm per velocità superiore a 200km/h, a sezione trapezoidale variabile, piu fragili e piu pesanti (circa 220 kg) ma piu stabili e di maggiore durata rispetto alle traverse in legno. rotolano le ruote dei veicoli ferroviari. Le rotaie vengono calcolate in modo da resistere a sforzi verticali statici e dinamici come una trave continua appoggiata (flessione e taglio per carichi normali al proprio asse), la sezione è a doppio T, perché è quella che a parità di area presenta il maggior momento resistente. Il tipo di rotaia usato è quello a suola o Vignole (Figura 2.4.1), è caratterizzata da: ˆ il fungo, che è la parte su cui direttamente insistono le ruote; ˆ la suola, per l appoggio delle rotaie sulle traverse; ˆ il gambo, elemento verticale che collega il fungo alla suola, sede delle forature per i giunti. Il fungo, e precisamente la parte superiore del fungo, costituisce la superficie di rotolamento propriamente detta, su cui appoggia il cerchione; a sua volta il fianco interno del fungo costituisce la superficie di guida, contro la quale insiste il bordino. È essenziale notare che la superficie di rotolamento della rotaia è inclinata sull orizzontale di un angolo i=1/20: ciò si ottiene inclinando di tale angolo l appoggio della suola sulla traversa. Ovviamente anche la superficie esterna del cerchione è inclinata di uguale angolo i=1/20. Questo accorgimento ha un duplice scopo: per centrare l asse nei binari nella marcia in rettilineo, per sopperire, almeno in parte alla mancanza del dif-

27 2.4 Strada ferrata 26 ferenziale; infatti, la conicità delle ruote compensa la differenza di rotolamento tra la ruota esterna e la ruota interna in curva. Fungo Gambo Suola Figura 2.4.1: Sezione di una rotaia. Le rotaie hanno lunghezze di costruzione dell ordine di qualche decina di metri e vengono saldate in loco, per raggiungere lunghezze maggiori. L unione delle estremità di due rotaie contigue costituisce il giunto; esso è del tipo appoggiato (quando si trova in corrispondenza di una traversina) o sospeso (quando le due rotaie contigue poggiano su due traversine distinte). Le rotaie possono essere posate direttamente sulle traverse su una superficie opportunamente lavorata (posa diretta), oppure con l interposizione di una apposita piastra (posa indiretta); in ambedue i casi la superficie di appoggio della rotaia è inclinata di 1/20 verso l interno del binario. Nel caso di posa diretta, l attacco è sempre diretto, in pratica la rotaia è collegata direttamente alla traversa tramite caviglie, viti per legno a testa quadra o rettangolare, o tramite arpioni elastici, con i quali si realizza un attacco elastico. Nel caso di posa indiretta, l attacco può essere diretto, quando le caviglie collegano rotaia piastra e traversa, o indiretto, ed in tal caso la rotaia è fissata alla piastra per mezzo di bulloni, chiamati chiavarde di ancoraggio, e apposite piastrine,

28 2.4 Strada ferrata 27 mentre la piastra è fissata alla traversa per mezzo di ulteriori caviglie (quest ultime non sono rappresentate in figura). Nel caso di traverse in legno, l attacco indiretto ha la funzione di opporsi allo scorrimento longitudinale delle rotaie ed è sempre adottato in presenza di lunga rotaia saldata. Per permettere il passaggio del materiale da un binario all altro vi sono i deviatoi formati dal cambiamento e dal crociamento o cuore collegati dalla curva di raccordo. Il primo è costituito dal telaio degli aghi che sono ricavati da sbarre speciali assottigliate ad una estremità così da poter nascondere la loro punta sotto i funghi delle rotaie adiacenti detti contaghi. Il secondo è costituito dall incrocio delle file di rotaie: quelle dirette e quelle in continuazione del binario deviato. Gli assi di questi due binari si incontrano secondo un angolo la cui tangente rappresenta il dato caratteristico del deviatoio. Per poter variare il collegamento tra due binari gli aghi possono ruotare di un piccolo angolo facendo fulcro sulle estremità non rastremate. Si definisce poi scartamento di una linea ferroviaria la distanza tra le facce interne dei funghi delle rotaie misurata ortogonalmente ad esse e ad una prefissata quota al di sotto del piano superiore della rotaia che viene chiamato piano del ferro. Bisogna inoltre definire ˆ 2c = scartamento di bordino: distanza tra i fianchi esterni dei bordini, misurata a 10mm sotto il cerchio di rotolamento; ˆ 2s = scartamento del binario distanza tra i fianchi interni delle rotaie, valutata a 14mm sotto la superficie di rotolamento i due scartamenti definiscono e determinano l accoppiabilità della sala montata con il binario. Il valore normale dello scartamento del binario 2s della Rete Ferroviaria Italiana è di 1435mm con una tolleranza di +5 e -2 mm. Questo valore è comune a quasi tutti i Paesi

29 2.5 Strada ordinaria 28 europei ed a molti extraeuropei (le rotaie di alcuni paesi come la Spagna e la Russia presentano uno scartamento maggiore). Tale misura vale per i rettifili e per le curve di grande raggio. Nelle rimanenti curve lo scartamento viene opportunamente maggiorato, al fine di facilitare l iscrizione dei rotabili, di una quantità variabile a seconda dei raggi delle curve e dei criteri adottati dalle varie Amministrazioni Ferroviarie. Ci sono casi in cui tale scartamento è allargato (per esempio Spagna 1676mm, Russia 1524mm) oppure ridotto (per esempio Giappone 1067mm, India 1000mm). In genere lo scartamento ridotto viene impiegato quando le linee hanno pendenze molo elevate o curve in piena linea di raggio ristretto. Con l uso dello scartamento ridotto, inoltre, si ha una minore stabilità ma si realizza un economia sia nella costruzione che nell esercizio della linea. 2.5 Strada ordinaria In una strada ordinaria, al di sopra della piattaforma stradale, nella parte centrale, c è la sovrastruttura mentre nelle due parti laterali ci sono le banchine. Come noto, le sovrastrutture possono essere realizzate con manto di asfalto, di cemento, macadam, con cubetti di porfido, con selciato o anche con semplice pietrisco battuto ecc. Nell iscrizione in curva di un veicolo stradale le ruote posteriori non seguono la traiettoria delle ruote anteriori e pertanto il veicolo occupa, in curva, una larghezza maggiore di quella occupata in rettilineo. Di conseguenza se la larghezza della strada in rettilineo è già limitata, oppure se si desidera conservare in curva lo stesso franco laterale esistente in rettifilo fra le correnti di traffico, occorre in curva aumentare la larghezza. In genere, tale allargamento viene riportato tutto verso l interno perché, un allargamento verso l esterno è scarsamente utilizzato dato che i veicoli tendono stringere la curva. Per una strada ordinaria, il profilo orizzontale sarebbe il più comodo per il transito

30 2.5 Strada ordinaria 29 dei veicoli, ma tale soluzione determinerebbe il ristagno delle acque piovane. Pertanto, nelle strade moderne, in rettifilo si adotta il profilo convesso che viene definito nella sua curva geometrica e dalla monta o freccia, cioè dal rapporto fra l altezza della sagoma al centro e la larghezza della strada misurata fra le banchine.

31 Capitolo 3 I veicoli 3.1 I rotabili ferroviari Componenti principali La parte meccanica di un mezzo di trazione elettrica é sostanzialmente costituita da tre componenti: rodiggio, telaio e cassa. Il rodiggio: è il complesso delle sale montate (insieme delle due ruote con relativo asse) e delle boccole (insieme atto a garantire l appoggio e la sospensione sulle citate sale della parte sovrastante) con i relativi accessori. Il telaio: costituisce l ossatura del rotabile ed è concettualmente costituito da due longheroni collegati da traverse. La cassa: è l involucro esterno del rotabile, atto a contenere persone e cose. Nella sala montata di un veicolo ferroviario (Figura 3.1.1) si distinguono il corpo della sala (asse) e due ruote. Dal punto di vista funzionale le sale montate si distinguono in: ˆ motrici, montate su locomotive o automotrici, collegate con i motori e destinate

32 3.1 I rotabili ferroviari 31 a ricevere lo sforzo motore; ˆ portanti, destinate soltanto a funzioni di sostegno e guida del rotabile. L asse o sala ha la funzione di trasmettere alle ruote i carichi agenti sul rotabile. Il collegamento si ottiene mediante l inserimento forzato della portata di calettamento, nel foro della ruota. L asse ha sezione circolare variabile, piena o anche cava. L estremità dell asse prende il nome di fusello e su di esso è inserito il cuscinetto contenuto nella boccola. La boccola è collegata al telaio mediante un opportuno sistema di sospensione e guida, che consente di trasmettere le diverse forze orizzontali e verticali. Tale sospensione è anche chiamata primaria. La parte della ruota che, nel rotolamento sulla rotaia, viene a contatto con la superficie superiore del fungo è denominata cerchione ed è provvista (nella sua parte interna) di un bordino, e cioè di una sorta di sporgenza, che garantisce la permanenza della sala sulle rotaie durante il moto. Fusello Assile Ruota Rotaia Piano del ferro Scartamento Traversa Rotaia Figura 3.1.1: Sala di un veicolo ferroviario.

33 3.1 I rotabili ferroviari 32 Come già detto per la rotaia, la superficie di rotolamento del cerchione ha una inclinazione di 1/20; ciò, in rettilineo, garantisce una sorta di centratura automatica del veicolo sul binario mentre, in curva, svolge un azione differenziale. Infatti, a causa dello spostamento della sala montata verso l esterno, (conseguente alla presenza della forza centrifuga e consentito dall allargamento del binario), la ruota esterna, con diametro di rotolamento più grande, percorre tratti di lunghezza maggiore della ruota interna, che ha diametro di rotolamento più piccolo. La distanza degli assi geometrici delle sale estreme di un veicolo si chiama passo del rotabile; quella tra gli assi non suscettibili di sostanziali spostamenti trasversali e tra loro più lontani si chiama passo rigido. Anche per migliorare l iscrizione in curva dei veicoli, si ricorre all uso di carrelli e cioè di telai con 2 o 3 sale, sui quali poggia la cassa (Figura 3.1.2). Linea di contatto CASSA CARRELLI Piano del ferro Figura 3.1.2: Locomotiva a due carrelli. Il citato collegamento cassa-carrello assicura la trasmissione delle diverse forze, consentendo ai due elementi una libertà di movimento intorno ad un perno verticale. In corrispondenza dell appoggio della cassa sul carrello è previsto, in genere, un altro sistema di sospensione (realizzato con molle a balestra, ad elica di acciaio, sospensioni pneumatiche, etc...), denominato anche sospensione centrale o secondaria. L insieme delle parti di un veicolo che, direttamente o indirettamente, gravano su un sistema di

34 3.1 I rotabili ferroviari 33 sospensione (come, ad esempio, la cassa del veicolo o il telaio dei carrelli) costituisce la massa sospesa, mentre quelle parti che poggiano rigidamente sulla rotaia (sale montate e boccole) sono denominate masse rigide o non sospese. Il comportamento delle varie masse in corrispondenza degli urti conseguenti alle irregolarità del binario durante il moto è ovviamente diverso Schema del rodiggio Le sale di un carrello di una locomotiva a cui viene trasmessa la coppia motrice vengono denominate motrici, le altre sale si dicono portanti. Lo schema del rodiggio varia in funzione della tipologia dell insieme delle sale montate di una locomotiva e lo si designa con opportune sigle, capaci di indicare la ripartizione delle sale tra i carrelli e di distinguere le sale motrici da quelle portanti. Ogni gruppo di sale, appartenenti ad un carrello o ad un telaio, è contraddistinto da una lettera dell alfabeto se le sale sono motrici, o da un numero se le sale sono solo portanti. II numero d ordine della lettera o il numero corrispondono al numero di sale adiacenti nello stesso carrello (B oppure 2 indicano 2 sale per carrello, C oppure 3 indicano 3 sale per carrello). Le lettere prive di qualsiasi indice si riferiscono a gruppi di assi motori, accoppiati tra loro meccanicamente (con ingranaggi, bielle, etc..); le lettere con l indice zero indicano gli assi a comando individuale o indipendente in cui cioè, ogni singolo asse è azionato da un motore (Figura 3.1.3). In particolare: ˆ BB locomotiva con 2 carrelli, ciascuno dei quali ha 2 sale montate accoppiate tra loro;

35 3.1 I rotabili ferroviari 34 ˆ B 0 B 0 locomotiva con 2 carrelli, ciascuno dei quali ha 2 sale montate con assi motori a comando singolo: si hanno 4 motori; ˆ BBB locomotiva con 3 carrelli, ciascuno dei quali ha 2 sale montate accoppiate; ˆ B 0 B 0 B 0 locomotiva con 3 carrelli., ciascuno dei quali ha 2 sale montate con comando individuale degli assi; esistono locomotive con cassa unica o mezzi articolati con 2 casse, in cui l articolazione avviene in corrispondenza del carrello intermedio; ˆ CC locomotiva con 2 carrelli, ciascuno con 3 sale montate azionate da un unico motore; ˆ C 0 C 0 locomotiva con 2 carrelli ciascuno con 3 sale montate motrici per un totale di 6 motori. Variando il numero di assi per locomotiva, cambia il peso per asse gravante sulle rotaie: questo non può superare dei limiti caratteristici di ogni linea, funzione delle modalità costruttive della linea stessa. In genere ci si riferisce alla massa per asse e l ordine di grandezza nelle linee ferroviarie è di 20 tonn/asse Trasmissione del moto La trasmissione del moto dai motori di trazione alle sale avviene normalmente tramite ingranaggi. Le realizzazioni costruttive sono diverse e dipendono dalle modalità di sospensione dei motori: se questi si appoggiano direttamente in modo parziale sul telaio del carrello e sulla sala montata, si parla di sospensione a naso; se sono fissati esclusivamente sul telaio del carrello si parla di motori completamente sospesi. La

36 3.1 I rotabili ferroviari 35 M M M M B 0 B 0 BB M M M M M M M M B 0 B 0 B 0 M M M BBB M M M M M M C 0 C 0 M M CC Figura 3.1.3: Schema di un rodiggio. sospensione a naso è schematicamente riportata in figura 2.3.1: il motore, da un lato, tramite molle, poggia elasticamente sul telaio del carrello e, dall altro, poggia direttamente sulla sala tramite due bracci con opportuni cuscinetti. L aliquota del peso del motore, che grava sulla sala incrementa la massa rigida del veicolo. La trasmissione del moto comprende sostanzialmente una coppia di ingranaggi cilindrici, situata su un lato del motore e racchiusa in una custodia (carter). Nel caso di motori completamente sospesi si hanno in genere soluzioni cosiddette ad asse cavo oppure sospensioni longitudinali. Nel primo caso, il motore è montato con l asse parallelo alla sala montata ed aziona, mediante una coppia di ingranaggi cilindrici un asse cavo che circonda la sala ed è sostenuto dalla carcassa del motore. La coppia motrice è trasmessa dall albero cavo alle ruote tramite un ulteriore sistema elastico, che garantisce comunque all albero la

37 3.2 La ruota automobilistica 36 Motore di trazione Telaio del carrello Piano del ferro Figura 3.1.4: Sospensione a naso. libertà di movimento rispetto alla sala. Nel secondo caso, il motore è fissato al telaio con l asse parallelo a quello del binario: il moto è trasmesso dal motore alla sala tramite un sistema comprendente un albero cardanico a cannocchiale, un giunto elastico ed un riduttore conico. Tale soluzione, in genere, non è applicata alle locomotive, ma a motrici leggere. Nelle locomotive con carrelli monomotori, in genere, il motore è montato con l asse parallelo a quelle delle sale ed il motore, completamente sospeso, trasmette il moto alle sale attraverso un riduttore ad ingranaggi cilindrici, nonché sistemi di giunti, disposti a monte ed a valle del riduttore, in grado di assorbire gli spostamenti relativi tra motore e sale. 3.2 La ruota automobilistica La ruota automobilistica rappresenta l organo di sostentazione, propulsione e guida caratteristico di tutti i vettori stradali per mezzo del quale avviene la rotazione e quindi il movimento. Nelle autovetture la ruota è costituita solitamente da un cerchione che può essere in lamiera stampata o in lega (più leggero), portante esternamente un cerchio

38 3.2 La ruota automobilistica 37 di montaggio metallico a canale, entro il quale viene applicato il pneumatico. Il disco porta, nella parte interna, una serie di fori, entro i quali si infilano i bulloni portati dal mozzo. Il pneumatico è un involucro inestensibile e deformabile, costituito da gomma vulcanizzata (trattamento a caldo della resina dell albero di caucciù con zolfo) il quale fu introdotto da Good Year. Per impedire l azione dei raggi ultravioletti e per migliorare le proprietà meccaniche e prestazionali del prodotto finale si aggiunge rispettivamente nerofumo (da qui deriva il caratteristico colore) e la silice. Il pneumatico ha la forma di un solido di rotazione (anello toroidale), ed ha la funzione di sopportare staticamente e dinamicamente un determinato carico, trasmettere al terreno tutte le forze longitudinali e trasversali necessarie al moto, assicurare la direzionalità al veicolo permettendone la sterzatura e l inserimento su una traiettoria voluta dal guidatore, trasmettere sia la potenza motrice che la forza frenante per mezzo dell aderenza con la superficie stradale, migliorare il comfort dei passeggeri contribuendo alla sospensione del veicolo. La copertura consiste in un robusto involucro di forma toroidale aperto interiormente. Ha la funzione di resistere alla pressione interna dell aria e di trasmettere al piano di posa il peso e le eventuali forze tangenziali. La copertura è costituita dal: ˆ battistrada: è costituito da una mescola in gomma la cui superficie è solcata da un disegno idoneo a garantire una buona aderenza al suolo sia nelle condizioni di asciutto che di bagnato, nonché buone caratteristiche di silenziosità di marcia. Il disegno è formato da una particolare disposizione dei pieni (tasselli) e dei vuoti (incavi, lamelle, ecc.); questi ultimi accolgono l acqua assicurando un contatto asciutto tra gomma e suolo; ˆ sottofondo: è lo strato più interno della fascia battistrada a contatto con la