Meccanicadel veicolo - unicas.it (1).pdf · 17/11/2011 1 Meccanicadel veicolo Meccanica del veicolo...

17/11/2011

1

Meccanica del veicolo


equazioni del motoProf. Giuseppe Tomasso ‐ Università di Cassino

Superficie di contatto

ruota ferma

Coppia cinematica ruota‐terreno

Problema normale

v=0

G

x dGp

dA

ruota usurata

pressione



pressionepressione media

m

Gp

A

17/11/2011

2


v

M

G

Le forze attive tangenziali ed il carico si trasmettono fra ruota e rotaia‐strada attraverso l’area di impronta A. Facendo l’ipotesi che A degeneri in una sola

r

R

E

G l ipotesi che A degeneri in una sola generatrice:

eq

eq

dm

dtd

r Jdt

vE R

M R

Si h “ di i i di d ” il i t t / fi i l t



Si hanno “condizioni di aderenza” per il sistema ruota/superficie se la ruota presenta un moto di puro rotolamento sulla superficie; non si verificano allora strisciamenti relativi ed è nulla la velocità dei punti della ruota che istante per istante vengono a contatto con la superficie. In questo caso si ha:

v r

All’aumentare dello sforzo di trazione:

ME

r


il moto di puro rotolamento della ruota dura finché non si raggiunge il valore limite di aderenza Ead, oltre il quale si verificano slittamenti relativi fra ruota e superficie.Si definisce:

adad

E

G coefficiente di aderenza



Condizione di aderenza: adE G

17/11/2011

3


cono di aderenza

Ead

E

condi ione di aderen a



adE Gtg Gtg G condizione di aderenza

Il coefficiente di aderenza

Il valore del coefficiente di aderenza dipende dal tipo di accoppiamento ruota/superficie. Perla ruota ferroviaria esso assume valori normalmente inferiori rispetto all’accoppiamentopneumatico/strada.Per una determinata coppia cinematica, il coefficiente di aderenza dipende essenzialmentedalla velocità di marcia v e diminuisce all’aumentare di questa. Pertanto si avrà sempre:


ad f v Gli altri fattori in gioco sono:

Condizioni superficiali del terreno: con superfici asciutte, ad assume valori più elevati. Sullestrade, ad può assumere valori molto bassi in presenza di strade bagnate o ghiacciate. Nelleferrovie, il ghiaccio non crea grossi problemi a causa delle grosse pressioni superficiali ingioco.Sabbiatura: la presenza di sabbia sulle rotaie aumenta l’aderenza. Pertanto si effettua la“sabbiatura del binario” quando le condizioni di aderenza sono critiche.



qVariazioni di carico istantaneo: causa molleggio degli ammortizzatori, possono verificarsigrosse variazioni di carico sulle ruote. Il rapporto tra la forza di trazione applicata ad un asseed il carico gravante su di esso può superare il limite di aderenza, dando luogo alloslittamento.Strisciamenti in curva: nei treni, la solidarietà fra le ruote di una medesima sala producedegli strisciamenti in curva.

17/11/2011

4

ad f v

Pertanto, il valore del ad è difficile da diagrammare e quantificare. Molti studiosi hannopensato di proporre alcune funzioni di ad facendo riferimento a condizioni ambientali edatmosferiche medie:


7.50.161

44ad v

8 0.10.24

8 0 2ad

v

v

kmv in

h

kmv in

h

Curtius‐Kniffler (1943)

Nouvion‐Bernard (1960)



8 0.2v had

v




17/11/2011

5

Aderenza al punto fisso: il punto di contatto ruota‐superficie rimane fisso e nessuno dei due organi muta la superficie di contatto. Non si ha né rotazione né traslazione (sforzo di primo distacco)

v =0 = 0


Slittamento puro: il punto di contatto sulla superficie rimane fisso, mentre la ruota nel suo moto di rotazione cambia continuamente la superficie di contatto (attrito radente)

Pattinamento puro: il punto di contatto sulla ruota cambia continuamente per effetto della traslazione della ruota, che invece non cambia la superficie di contatto perché priva di moto di rotazione (attrito radente)

v =0 0

v 0 = 0



( )

Rotolamento: entrambi gli organi mutano le superfici a contatto reciproco. La forza trasmissibile dipende dal coefficiente di aderenza.

v 0 0

Nell’area di impronta si possono distinguere quindi 2 zone:

• una zona di combaciamento, anteriore rispetto al senso dimarcia, nella quale la velocità relativa fra ruota/strada e fracerchione/rotaia è nulla

Aderenza durante il moto


cerchione/rotaia è nulla.• una zona posteriore, nella quale si manifestanomicroslittamenti irreversibili.

v

dFF

microslittamenti

Per effetto delle deformazionielastiche (reversibili) e deimicroslittamenti, la velocitàperiferica della ruota è, intrazione, lievemente maggiored ll l ità di t l i



1 2 3

r v

macroslittamenti

slittamenti

della velocità di traslazione.

17/11/2011

6

La forza di trazione F trasmessa nell’area d’impronta dipende da . Per =0, si ha F=0.All’aumentare di F, cresce mantenendosi inizialmente molto piccolo (microslittamenti). La zonadi slittamento s’ingrandisce fino ad occupare l’intera impronta in corrispondenza di un valore Flim.Oltre questo limite, si osserva un ulteriore incremento di F, in un campo di crescenti(macroslittamenti) finché si arriva al valore limite superiore F aldilà del quale si innesca il vero

Aderenza durante il moto


(macroslittamenti), finché si arriva al valore limite superiore Fad, aldilà del quale si innesca il veroe proprio fenomeno di slittamento, con F decrescenti (il coefficiente di attrito dinamico è minoredi quello statico).

vdF

F

microslittamenti vF



1 2 3

r v

macroslittamenti

slittamenti

limF

ruota in movimento Con la ruota in movimento il diagrammadelle pressioni si altera per effettodell’isteresi elastica del materiale. Larisultante delle reazioni elementari delterreno si sposta di una quantità nel senso


Problema normale

v

‐G

x

terreno si sposta di una quantità nel sensodel moto.

Valori di pressione media:



pressione

‐trazione ferroviaria 500‐1000 N/mm2

‐trazione su gomma 10‐50 N/cm2

v=0

G

x

pressione

17/11/2011

7


Problema tangenziale (forze longitudinali e trasversali): l’aderenza e lo slittamento




Aquaplaning



17/11/2011

8

Nella perdita di aderenza si ha l’instaurarsi dello strisciamento della ruota sul terreno, datoche il terreno non è più in grado di esplicare una reazione vincolare atta alla trasmissione delmoto tra la ruota e il terreno stesso. Tale reazione vincolare scompare nello slittamento e al

Moto durante lo slittamento


psuo posto viene ad instaurarsi una nuova forza: la forza di attrito dinamico Fd

d dF G

d eq

dvF R m

dtd

M F J



d eq

dM rF J

dt

r v

d dipende dalle condizioni atmosferiche e di superficie e dalla velocità di strisciamento . Lasua caratterizzazione è ancora più complessa rispetto a ad. Esistono grafici totalmentesperimentali, con andamento del tipo:

Moto durante lo slittamento


sperimentali, con andamento del tipo:

d



v

17/11/2011

9

Dinamica del veicolo

y

TT T

dm m

dt v

F a

x

z xTxT xT

dvF ma m

dt

yTyT yT

dvF ma m

dt

Componente tangenziale

Componente normale



y y dt

zTzT zT

dvF ma m

dt

p

Componente laterale


Forze in gioco: ‐ forze attive F, aventi la direzione di v‐ forze passive (o resistenze) R, aventi direzione di v e verso opposto‐ forze di inerzia

Avviamento e marcia

RxT axT vxT FxT



FxT = forza motrice o di trazionexT

xT xT xTdv

F R ma mdt

17/11/2011

10


Frenatura

RxT axT

vxT

FxT

dv



‐FxT = forza frenantexT

xT xT xTdv

F R ma mdt


Avviamento e marcia FrenaturaAvviamento e marcia Frenatura



dF dF

17/11/2011

11


Resistenza al moto

RxT=R0+Re

RxT axT vxT FxT

resistenza all’avanzamento resistenza accidentale

R0 Re

R’ i t l t l t d t ll R i t id t l d t ll d



R’ resistenza al rotolamento dovuta alla coppia perno-cuscinetto

R’’ resistenza al rotolamento dovuta alla coppia ruota-terreno (binario)

Ra resistenza dovuta all’aria

Ri resistenza accidentale dovuta alla pendenza

Rc resistenza accidentale dovuta alle curve

R=R’+R’’+Ri +Ri+Rc


Valutazione della resistenza al moto

Ogni componente della forza resistente all’avanzamento del veicolo si riporta in termini di carico equivalente trasversale



17/11/2011

12


Resistenza R’ dovuta alla coppia perno-cuscinetto

d

D Momento resistente dovuto all’attrito perno‐cuscinetto

' d

dM G

perno

cuscinetto

v

M’

'2

DR

'd D G R

, 2d pcM G



G

R’

M’ , 2 2d pc G R

,' d pc

d

DR G


Resistenza R’’ dovuta alla coppia ruota-terreno (attrito volvente)

v

Quando la ruota è in movimento, ladistribuzione delle pressioni si altera pereffetto dell’isteresi elastica del materiale

‐G

x

costituente la ruota e la strada. La risultante Gdelle azioni elementari del terreno si spostanel senso del moto di una quantità .Nasce un momento resistente:

equivalente al momento:

'' M G

''D

R

R’’



pressione

''2

R

2''

D

R G

17/11/2011

13


resistenza al rotolamento:

1 ,

2' '' d pc

d

D D

R R R G G

coppia resistente equivalente di rotolamento



1 1 ,2 2d pc

D d

C R G


Resistenza Ra dovuta all’aria

v

Il veicolo incontra nel suo moto una resistenza frontale Rf provocata dal mezzo nel quale si muove

area della sezionetrasversale del veicolo

velocità del veicolo

21f A vR



coefficiente di forma del veicolo (normalmente 0.2-0.3)

2f sA vR

densità dell’aria(circa 1.25 kg.m−3)

17/11/2011

14


Resistenza Ra dovuta all’aria

Alla Rf si aggiungono le resistenze dovute alle asperità delle superfici laterali delveicolo, all’aspirazione che si manifesta nella testata posteriore, alla turbolenzadell’aria tra pavimento e terreno. Occorre considerare anche i vortici che sigenerano fra i vari convogli che compongono un treno o un autoarticolato.

Ra non dipende, quindi, dal peso del veicolo, ma solo dalla sua forma, dallasezione trasversale e dalla lunghezza.Per le alte velocità, Ra acquista un peso predominante rispetto a tutte le forzeresistenti, tanto che si deve intervenire per limitarne l’effetto con una serie diaccorgimenti:

-studio accurato della forma aerodinamica della testata anteriore e posteriore (inferrovia sono identiche perché i convogli sono bidirezionali;



ferrovia sono identiche perché i convogli sono bidirezionali;-riduzione delle turbolenze nel sottotelaio, proteggendo le apparecchiature concarenature apposite. Analogamente si opera con le apparecchiature situate sultetto;-riduzione dei vortici fra convogli, minimizzando le discontinuità delle paretiesterne;-riduzioni delle asperità delle superfici laterali.


Resistenza all’avanzamento: relazioni approssimative

20 a c R v

20 a b c R v v

relazioni empiriche 20 a c R v G

R0

in galleria

permette di normalizzare l’espressione finale della resistenza R rispetto a G



v

all’aperto

17/11/2011

15


Resistenza accidentali: resistenza dovuta alla pendenza

tansin

R G G

2sin

1 tani

R G G

In genere 25 30%

G

Ri



tani R G


Resistenza accidentali: resistenza dovuta alle curve

Se non è presente un differenziale (treni) in curvasi verificano strisciamenti a causa della differenzadi percorso che deve compiere la ruota interna equella esterna:

2s s s s

ampiezza della curva (radianti) raggio medio della curva2s scartamento del binario

(o lunghezza asse)



Il lavoro Lc corrispondente perduto per attrito (strisciamento) dà luogo ad una forza resistente Rc:

Lc Rc S S= distanza percorsa in curva dal convoglio

Il valore di Rc si determina mediante relazioni sperimentali.

17/11/2011

16


La forza inerziale

Se si deve imprimere al veicolo una accelerazione axT, la forza inerziale da imprimere sarà:

F _ xai xT TF m

In realtà il motore non genera un moto lineare, ma rotazionale. A causa delle diverse velocità in gioco, il motore elettrico è normalmente collegato all’albero dell’asse di rotazione attraverso un motoriduttore:




La forza di trazione

Se Ftxè la forza di trazione da esercitare fra ruota e terreno, la coppia che dovrà esercitare il motore sarà:

txF rM mr

r raggio ruota

k rapporto riduzione motoriduttore

txmr

Mk

mr

tx

k rapporto riduzione motoriduttore

M coppia esercitata dal motore

Inoltre:

2

/

/

xtr mr

xt

vk rad s

ra

k d



2

,

/xtr mr

xttx L eq eq r eq mr

k rad sr

aM M J J k

r

xTv

17/11/2011

17


La forza di trazione

La forza di trazione totale sarà:

2 x2

tanxtT d t T

vdF c v ma

G , xtanxT d pc xt TF c v ma

D D

G

2,2

tanxt xtxT d pc xt

v dvdF c v m

D D dt

G

Resistenza perno‐cuscinetto

Resistenza accoppiamento ruota‐terreno

Resistenza dovuta alla pendenza

Resistenza dovuta all’avanzamento nell’aria

Componente inerziale



D D dt

2,2

tan xtxT d pc xt

dvdF c v m

D D dt

G

Ipotizzando per un valore medio:




17/11/2011

18


Il motore elettrico è in grado di fornire una coppia costante fino ad una certa velocità c, passata la quale si procede generalmente sulla caratteristica a potenza costante (deflussaggio):

_ maxc tx txM M _

,m nc tx

PM

2,max _max ,1 1 2 1

tanmrxt tx d pc xt

k da M c v

m r m D D m

G

Per c < c l’accelerazione massima ottenibile dal veicolo sarà:



m r m D D m

2_max ,max

1 1 2 1tanxt mr

tx d pc xtdv k d

M c vdt m r m D D m

G




17/11/2011

19





Performance di un veicolo (media potenza)

Accelerazione da 0 a 100km/h <12 secondiAccelerazione da 60 a 100 km/h < 5.3 secondiAccelerazione da 0 a 120 km/h <23,4 secondiVelocità massima 135 km/h



17/11/2011

20

17/11/2011

21

Generalità sulla propulsione elettrica

IntroduzioneProf. Giuseppe Tomasso ‐ Università di Cassino

17/11/2011

22

17/11/2011

23

17/11/2011

24

• Impianto frenate del veicolo ferroviario

Impianto frenate del veicolo ferroviario

Meccanicadel veicolo - unicas.it (1).pdf · 17/11/2011 1 Meccanicadel veicolo Meccanica del veicolo...

Documents

Transcript of Meccanicadel veicolo - unicas.it (1).pdf · 17/11/2011 1 Meccanicadel veicolo Meccanica del veicolo...