FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Tesi di laurea in Laboratorio CAD

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1 Università degli studi di Bologna FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Tesi di laurea in Laboratorio CAD OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA DI MOTORIZZAZIONE E TRASMISSIONE DELLA AUTOVETTURA IBRIDA ASTURA Tesi di: Guerrini Alessandro Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli 1

2 OBIETTIVO DELLA TESI Sviluppare modelli matematici al fine di determinare le prestazioni della vettura ASTURA, valutando possibili diversi sistemi di trasmissione di coppia e di potenza dal motore elettrico e termico alle ruote Programma utilizzato: MATHEMATICA 5.0 2

3 TIPOLOGIA DI IBRIDO SCELTA IBRIDO SPLIT O DUAL MODE VANTAGGI Grande elasticità e versatilità del sistema, possibilità di funzionamento a due o quattro ruote motrici Semplicità di gestione Possibilità di funzionamento del solo motore elettrico SVANTAGGI Costi elevati Con batterie scariche, il funzionamento è identico ad una vettura dotata di motore a combustione interna 3

4 ELEMENTI PRINCIPALI SCELTI Motore termico 1.9 jtd di derivazione Fiat Coppia massima: 275 Nm a 2000 rpm Potenza massima: 85 KW (115Cv) a 4000 rpm Motore elettrico a corrente continua ad eccitazione in parallelo Tensione max: : 600 V Potenza max: : 65 KW Coppia max: : 400 Nm tra 0 e 1200 rpm Batterie al Litio ad elevata densità di carica in grado di fornire ad auto spenta aria condizionata per 30 minuti 4

5 MODELLI ANALIZZATI ASPETTI COMUNI: 1. Motore termico posizionato all avantreno 2. Motore elettrico posizionato al retrotreno, collegato alle ruote mediante frizione e differenziale 3. Funzionamento in modalità solo elettrico fino ad una velocità di 50 km/h circa 4. Partenza con motore elettrico trazione posteriore 5

6 MODELLI ANALIZZATI SOLUZIONI ADOTTATE: MODELLO 1: trasmissione di potenza alle ruote anteriori mediante cambio CVT. MODELLO 2: trasmissione di potenza mediante cambio a 5 rapporti MODELLO 3: trasmissione di potenza mediante cambio a 6 rapporti 6

7 Modello matematico o o o o Modello a parametri concentrati Si considerano le sospensioni rigide Modello resistenza attrito ( parametri ottimizzati in funzione delle curve sperimentali ) Modello resistenza aerodinamica ( parametri ottimizzati in funzione delle curve sperimentali ) Fresistente = P( r0 + i) + ( k P + ρ Cx S) V 2 P= componente del peso del veicolo normale al piano di riferimento r0=coeff. di resistenza al rotolamento pneumatico i= pendenza Cx= coeff di resistenza all avanzamento 7

8 MODELLO 1: SCHEMA SEMPLIFICATO 8

9 MODELLO 1: PRESTAZIONI Funzionamento: 1. Partenza con motore elettrico fino a 20,5 km/h 2. Innesto del motore termico per velocità superiori Determino la velocità massima calcolo rapporto min di trasmissione τ min = Fresis[ vel max]* Rruote Coppiamotrice[ rpmvel max] τ min = 2.58 vel rpmvel max*3.6*1.615 max = τ min*60 0 v max =188km / h Impongo la massima pendenza che può superare il veicolo max. rapporto di trasmissione τ max =

10 MODELLO 1: CURVE OTTENUTE Velocità (Km/h) COPPIA DISPONIBILE ALLE RUOTE Con questa soluzione si raggiunge la massima velocità in 26.9 secondi Accelerazione da 0 a 100 km/h in: 12.7 secondi CURVA CONSUMI ISTANTANEI MOTORE TERMICO Facendo compiere alla ASTURA il ciclo combinato CEE si ottiene: Consumo termico= 305 gr di combustibile 10

11 MODELLO 2: SCHEMA SEMPLIFICATO 11

12 MODELLO 2: PRESTAZIONI Funzionamento: 1. Partenza con motore elettrico fino a 17,0 km/h 2. Innesto del motore termico per velocità superiori Determino la velocità massima calcolo rapporto min di trasmissione τ min = Fresis[ vel max]* Rruote Coppiamotrice[ rpmvel max] τ min= 2.46 vel rpmvel max*3.6*1.615 max = τ min*60 0 v max =197km / h Impongo la massima pendenza che può superare il veicolo. max. rapporto di trasmissione Impongo la velocita minima veicolo prima di azionare la frizione τ max =

13 MODELLO 2: CURVE OTTENUTE COPPIA DISPONIBILE ALLE RUOTE DAL MOTORE TERMICO Con questa soluzione si raggiunge la massima velocità in 25 secondi Accelerazione da 0 a 100 km/h in: 11.2 secondi Facendo compiere alla ASTURA il ciclo combinato CEE si ottiene: Consumo termico= 466 gr di combustibile COPPIA DISPONIBILE ALLE RUOTE DAL MOTORE ELETTRICO CURVA DI COPPIA TOTALE DISPONIBILE ALLE RUOTE

14 MODELLO 3: SCHEMA SEMPLIFICATO 14

15 MODELLO 3: PRESTAZIONI Funzionamento: 1. Partenza con motore elettrico fino a 17,0 km/h 2. Innesto del motore termico per velocità superiori Determino la velocità massima calcolo rapporto min di trasmissione τ min = Fresis[ vel max]* Rruote Coppiamotrice[ rpmvel max] τ min= 2.46 vel rpmvel max*3.6*1.615 max = τ min*60 0 v max =197km / h Impongo la massima pendenza che può superare il veicolo. max. rapporto di trasmissione Impongo la velocità minima veicolo prima di azionare la frizione τ max =

16 MODELLO 3: CURVE OTTENUTE COPPIA DISPONIBILE ALLE RUOTE DAL MOTORE TERMICO Con questa soluzione si raggiunge la massima velocità in 24.8 secondi Accelerazione da 0 a 100 km/h in: 11.2 secondi Facendo compiere alla ASTURA il ciclo combinato CEE si ottiene: Consumo termico= 475 gr di combustibile COPPIA DISPONIBILE ALLE RUOTE DAL MOTORE ELETTRICO CURVA DI COPPIA TOTALE DISPONIBILE ALLE RUOTE

17 CONDIZIONI DI RECOVERY Condizione di recovery: situazione in cui uno dei due motori non funziona Si riportano le prestazioni della vettura per i tre modelli del motore termico e le prestazioni del motore elettrico MOTORE TERMICO Modello 1: CVT Modello 2:5 RAPPORTI Modello 3:6 RAPPORTI MOTORE ELETTRICO v max =188km / v max = 197km / v max = 197km / v max = 49.4km / h 6. 6 τ h h h = τ τ τ = = =

18 CONCLUSIONI Il modello 1 con CAMBIO CVT offre le prestazioni peggiori Inoltre a dispetto di una guida confortevole, riduce di molto il carattere sportivo della vettura. Offre però un notevole risparmio di carburante. Il modello 3 con CAMBIO a 6 rapporti offre prestazioni di poco superiori rispetto al modello 2, ma i consumi più elevati Il modello 2 con CAMBIO a 5 rapporti offre prestazioni similari al modello 3 e consumi intermedi tra le altre due soluzioni. 18

19 Università degli studi di Bologna FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Tesi di laurea in Laboratorio CAD OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA DI MOTORIZZAZIONE E TRASMISSIONE DELLA AUTOVETTURA IBRIDA ASTURA Tesi di: Guerrini Alessandro Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli 19