ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA LABORATORIO CAD STUDIO DI MASSIMA ED OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA DI TRAZIONE DI UNA VETTURA SPORTIVA IBRIDA PER DIVERSAMENTE ABILI Tesi di Laurea di MIRKO MEMMO Relatore Chiar.mo Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatore Dott. Ing. CRISTINA RENZI 18 Gennaio 2008 1
OBIETTIVO AUTOMOBILE DAL DESIGN SPORTIVO ACCESSIBILITÀ PER UTENTI DIVERSAMENTE ABILI TRAZIONE IBRIDA BASSE EMISSIONI DI GAS INQUINANTI PRESTAZIONI BRILLANTI SVILUPPO DI MODELLI MATEMATICI PER ANALIZZARE DIVERSE CONFIGURAZIONI DI TRASMISSIONE DI COPPIA E DI POTENZA Software MATHEMATICA 6 della Wolfram Research 2
CONFIGURAZIONE IBRIDA DUAL MODE FLESSIBILITÀ: DUE SISTEMI INDIPENDENTI SISTEMA DI ACCUMULO DI ENERGIA ELETTRICA MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA AVANTRENO MOTORE ELETTRICO RETROTRENO POSSIBILITÀDI MARCIARE IN MODALITÀSOLO ELETTRICA: MINORI EMISSIONI ASSENZA DI VIBRAZIONI E DI RUMORE PARTENZA SEMPRE CON IL MOTORE ELETTRICO: TRAZIONE POSTERIORE SVANTAGGI: PESO NOTEVOLE SPAZIO NECESSARIO PER I COMPONENTI COSTI DI REALIZZAZIONE 3
COMPONENTI UTILIZZATI AVANTRENO Motore termico 1.9 JTD FIAT sovralimentato con turbocompressore GarretGT17 e intercoler coppia massima 275 Nma 2000 rpm potenza massima 85 kw (116 cv) a 4000 rpm 4
COMPONENTI UTILIZZATI RETROTRENO Motore elettrico a corrente continua a magneti permanenti tensione 600 V coppia massima 400 Nmtra 0 e 1200 rpm potenza massima 65 kw Batterie al Litio-Polimero ad elevata densità di carica Motore elettrico della Toyota a corrente alternata trifase, sincrono con magneti permanenti tensione 500 V coppia massima 400 Nmtra 0 e 1200 rpm potenza massima 50 kw (68 cv) tra 1200 e 1540 rpm Inverter Batterie di Nichel-Idruri metallici ad elevata densità di potenza 5
MODELLI ANALIZZATI RETROTRENO: motore ELETTRICO collegato alle ruote mediante frizione e differenziale AVANTRENO: motore TERMICO collegato alle ruote anteriori tramite: Modello 1: cambio manuale a 5 rapporti Modello 2: cambio manuale a 6 rapporti Modello 3: cambio automatico a variazione continua di rapporti (CVT) 6
IPOTESI DELLA SIMULAZIONE MODELLO A PARAMETRI CONCENTRATI SOSPENSIONI CONSIDERATE RIGIDE RESISTENZA ATTRITO RESISTENZA AERODINAMICA RESISTENZA LEGATA ALL INCLINAZIONE DELLA STRADA RAPPORTI INTERMEDI DEL CAMBIO CALCOLATI CON IL METODO DELLA PROGRESSIONE GEOMETRICA CVT EQUIPARATO A NORMALE CAMBIO CON ELEVATO NUMERO DI RAPPORTI BATTERIE CARICHE 7
MODELLI ANALIZZATI 5 RAPPORTI 6 RAPPORTI CVT Velocità massima (km/h) 204 204 204 204 190 190 0-100 km/h 11,2 sec 11,2 sec 11 sec 11 sec 13 sec 13 sec 0-200 km/h 26,7 sec 26,7 sec 26 sec 26 sec 28,2 sec 28,2 sec Motore elettrico funzionante fino a 17 km/h 17 km/h 17 km/h 17 km/h 20,75 km/h 21 km/h Rapporto minimo di trasmissione Rapporto massimo di trasmissione 2,33 2,33 2,33 2,33 2,44 2,44 11,89 11,89 11,89 11,89 11,41 11,41 8
MODELLI ANALIZZATI 5 RAPPORTI 6 RAPPORTI CVT Velocità massima (km/h) 204 204 204 204 190 190 0-100 km/h 11,2 sec 11,2 sec 11 sec 11 sec 13 sec 13 sec 0-200 km/h 26,7 sec 26,7 sec 26 sec 26 sec 28,2 sec 28,2 sec Motore elettrico funzionante fino a 17 km/h 17 km/h 17 km/h 17 km/h 20,75 km/h 21 km/h Rapporto minimo di trasmissione Rapporto massimo di trasmissione 2,33 2,33 2,33 2,33 2,44 2,44 11,89 11,89 11,89 11,89 11,41 11,41 9
MODELLI ANALIZZATI 5 RAPPORTI 6 RAPPORTI CVT Velocità massima (km/h) 204 204 204 204 190 190 0-100 km/h 11,2 sec 11,2 sec 11 sec 11 sec 13 sec 13 sec 0-200 km/h 26,7 sec 26,7 sec 26 sec 26 sec 28,2 sec 28,2 sec Motore elettrico funzionante fino a 17 km/h 17 km/h 17 km/h 17 km/h 20,75 km/h 21 km/h Rapporto minimo di trasmissione Rapporto massimo di trasmissione 2,33 2,33 2,33 2,33 2,44 2,44 11,89 11,89 11,89 11,89 11,41 11,41 10
RIEPILOGO Modello 1: cambio manuale a 5 rapporti PREGI: ottimi valori di velocità e accelerazioni DIFETTI: consumo Modello 2: cambio manuale a 6 rapporti PREGI: piùalta velocitàmassima, accelerazione migliore, sesta marcia utile in autostrada per risparmiare carburante, ripresa DIFETTI: complessitàcostruttiva, consumi a bassi e medi regimi più alti delle altre soluzioni Modello 3: cambio automatico a variazione continua di rapporti (CVT) PREGI: confort di guida, fluidità di marcia motore termico lavora a punto fisso maggior uso del motore elettrico minimi consumi DIFETTI: velocità e accelerazione inferiori 11
RIEPILOGO 12
CONDIZIONI DI RECOVERY Solo uno dei due motori èfunzionante, a causa di un guasto all altro: SOLO MOTORE TERMICO Tempi di accelerazione più lunghi Consumo pari a quello di una vettura con motore a combustione interna SOLO MOTORE ELETTRICO Velocità massime raggiungibili: con cambio manuale 50 km/h con cambio CVT 45 km/h Autonomia non molto elevata, e comunque dipendente dallo stato di carica della batteria SOLO MOTORE ELETTRICO DELLA TOYOTA Velocità massime raggiungibili: con cambio manuale 25km/h con cambio CVT 22 km/h Autonomia non elevata, e comunque dipendente dallo stato di carica della batteria 13
Considerazioni economiche e pratiche per la scelta dei motori elettrici Dall analisi svolta non si sono riscontrate, in linea di massima, sostanziali differenze di prestazioni tra i due motori elettrici. Pertanto la scelta finale dipenderà anche da questi fattori: Accordi commerciali con i produttori Previsioni di vendita del veicolo Problemi di assemblaggio dei motori a bordo dell auto Tempi e modalità di produzione Peso effettivo di tutti gli accessori elettrici necessari al corretto funzionamento Gestione elettronica del sistema di propulsione ibrida Affidabilità 14