Insegnamento di Fondamenti di Infrastrutture viarie

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Gaetana Pugliese
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1 Insegnamento di Fondamenti di Infrastrutture viarie Territorio ed infrastrutture di trasporto La meccanica della locomozione: questioni generali Il fenomeno dell aderenza e l equazione generale del moto Dall equazione generale del moto alle caratteristiche di moto Sistemi di trazione e motori di trazione Trazione ferroviaria: studio di una fase completa di moto Trazione stradale: studio di una fase completa di moto La frenatura in ferrovia e su strada Legislazione e Normativa Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade Andamento planimetrico di un tracciato stradale: 1) elementi del tracciato planimetrico, rettifili e curve circolari, pendenza trasversale in curva, curve a raggio variabile 2) allargamento in curva e diagramma di velocità Distanze di visibilità e andamento altimetrico di un tracciato stradale Volume del solido stradale: metodi di calcolo

fase completa di moto La frenatura in ferrovia e su strada Legislazione e Normativa Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade Andamento planimetrico di un tracciato stradale: 1)

2 Fondamenti di infrastrutture viarie SISTEMI DI TRAZIONE E MOTORI DI TRAZIONE Un sistema di trazione in generale fa riferimento al tipo di motore di trazione utilizzato o dal veicolo stradale o dal mezzo di trazione ferroviario. In realtà i diversi sistemi di trazione possono essere associati alle diverse infrastruttura di trasporto. Inizialmente in ferrovia la trazione a vapore era la sola utilizzata, successivamente si utilizzò anche la trazione elettrica, diesel e diesel- elettrica.. La sola trazione elettrica richiede impianti di alimentazione (sottostazioni e linea aerea). Quando invece l energia l è prodotta a bordo del mezzo di trazione si parla di trazione diesel-elettrica. elettrica. La trazione stradale utilizza motori a combustione interna (a benzina, a gasolio, a benzina-gpl e a benzina-metano); recentemente vengono anche utilizzati motori ibridi (a combustione interna-elettrici elettrici) ) e motori innovativi (elettrici, ad idrogeno, ecc.).

Inizialmente in ferrovia la trazione a vapore era la sola utilizzata, successivamente si utilizzò anche la trazione elettrica, diesel e diesel- elettrica.

3 Sistemi di trazione e motori di trazione SISTEMI DI TRAZIONE Con riferimento al tipo d infrastruttura d distinguiamo la trazione ferroviaria dalla trazione stradale. Infrastruttura ferroviaria Se la trazione ferroviaria é legata ad una fonte energetica secondaria (elettricità che in quanto tale deve essere prodotta in centrali idroelettriche, termoelettriche, a gas, a carbone, nucleari), si parla di trazione elettrica. Sono quindi necessari: linee di trasporto dell energia energia elettrica ad alta tensione dalle centrali elettriche agli impianti di trasformazione (della tensione) e di conversione (della corrente o della frequenza) e linee aeree di captazione per alimentare i mezzi di trazione. Se invece la trazione ferroviaria è legata ad una fonte energetica primaria si parla di trazione a vapore (se la fonte energetica è il carbone), trazione diesel o diesel-elettrica elettrica (se la fonte energetica è il gasolio). Infrastruttura stradale Solitamente la trazione stradale è legata ad una fonte energetica primaria (benzina o gasolio, ma anche GPL e metano). In alcuni casi tranvie e filovie urbane in sede promiscua la trazione stradale è legata ad una fonte energetica secondaria e quindi, come per le ferrovie, è necessario disporre di specifici impianti elettrici fissi.

gas, a carbone, nucleari), si parla di trazione elettrica.

4 Sistemi di trazione e motori di trazione MOTORI DI TRAZIONE Si definisce motore ideale per la trazione trazione un motore a potenza costante. La potenza meccanica P del motore ideale di trazione alle ruote è data da: P [kw ] = F t [kn] x v [m/sec] L andamento quindi della caratteristica meccanica del motore ideale, in una rappresentazione F(v), è quello tipico di un iperbole equilatera. Il motore ideale per la trazione è tale in quanto il motore si autoregola (cioè ha un comportamento stabile): alle basse velocità infatti è richiesto il massimo sforzo di trazione; all aumentare aumentare della velocità lo sforzo di trazione richiesto deve diminuire. Quindi la sua caratteristica meccanica è solo teorica. Le caratteristiche meccaniche dei motori di trazione reali si avvicinano vicinano a tre caratteristiche meccaniche teoriche tipo: potenza costante : : motori elettrici monofasi (sia corrente continua che a corrente alternata) e motori a vapore. velocità costante : : motori elettrici trifasi (a corrente alternata) coppia costante : : motori endotermici (a benzina o diesel) Pertanto solo i motori la cui caratteristica meccanica si avvicina a quella la a potenza costante sono adatti alla trazione.. Per gli altri occorre trasformare la caratteristica meccanica propria per avvicinarla il più possibile a quella ideale.

F(v), è quello tipico di un iperbole equilatera.

5 Motori di trazione Caratteristiche meccaniche La caratteristica meccanica del motore ideale,, in una rappresentazione F(v), è un iperbole equilatera. In figura sono riportate le caratteristiche meccaniche dei motori di trazione. kn Legenda: I motore ideale II a vapore III elettrico c.c. IV elettrico c.a. monofase V elettrico c.a. trifase VI a combustione interna [ 1 CV sono 735,5 W 1 kw sono 1,36 CV ] A 1020 CV 750 kw In A: P = (45 x 60) / 3.6 = 750 kw cioè 750 x 1.36 = 1020 CV [ N. B. 1 HP = 1,91 CV ] Km/h

kn Legenda: I motore ideale II a vapore III elettrico c.c. IV elettrico c.a. monofase V elettrico c.a. trifase VI a combustione interna [ 1 CV sono 735,5 W 1 kw sono 1,36 CV ] A 1020 CV 750 kw In A: P = (45 x 60) / 3.

6 Motori di trazione Motori elettrici Sono utilizzati sui mezzi di trazione elettrici ferroviari, sui tram e sui filobus. Il tipo più utilizzato in passato, ma ancora oggi, era ed é il motore elettrico a c.c. eccitato in serie che presenta una caratteristica meccanica del tipo potenza costante molto simile a quella del motore ideale. Presenta un numero di giri n,, direttamente proporzionale alla tensione di alimentazione E ed inversamente proporzionale al flusso induttore Ø, è dato da: n = E / k Ø e dove il flusso induttore Ø dipende dal n n delle spire del circuito d eccitazione d e dalla corrente i assorbita. La sua potenza motrice P m è data da: P = e. i [ W ], dove e la sua f.c.e. che è data da: e = E - r. i [ V ] ed i [ A ] è la corrente assorbita. La potenza alle ruote P r è data da: P r = η k n Ø i,, ma anche da: P r = C r ω = C r 2 π n. E possibile quindi ricavare la coppia alle ruote che è data da: C r = (η( k / 2 π) Ø i [ N m ] Esistono poi altri due tipi di motori elettrici: il motore monofase a c.a. (la cui caratteristica meccanica, del tipo potenza costante, è quasi coincidente con quella del motore ideale) ed il motore trifase (che, con l avvento l dell elettronica elettronica di potenza, ha potuto essere riutilizzato come motore di trazione).

Presenta un numero di giri n,, direttamente proporzionale alla tensione di alimentazione E ed inversamente proporzionale al flusso induttore Ø, è dato da: n = E / k Ø e dove il flusso induttore Ø

7 Motori di trazione Motori a combustione interna (a scoppio) Sono motori che, per poter essere utilizzati per la trazione di veicoli, devono essere accoppiati a variatori di coppia per poter adattare la loro caratteristica meccanica (poco adatta alla trazione) avvicinandola il più possibile a quella del motore ideale. La potenza motrice P m per un motore a quattro tempi, è data da: dove: P m = 0,87 η N V p m n (il doppio se il motore fosse a due tempi) 0,87 = costante dimensionale η = rendimento organico del motore N = n n dei cilindri V = volume di un cilindro P m = pressione media del ciclo n = n n di giri al m.p. La coppia motrice C m è direttamente proporzionale alla potenza motrice P m ed inversamente proporzionale alla velocità angolare ω.

La potenza motrice P m per un motore a quattro tempi, è data da: dove: P m = 0,87 η N V p m n (il doppio se il motore fosse a due tempi) 0,87 = costante dimensionale η = rendimento

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