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Università degli studi di Bologna

FACOLTÀ DI INGEGNERIACorso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Tesi di laurea inDisegno Tecnico Industriale

OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA DI TRAZIONE DEL

VEICOLO IBRIDO ASTURA

Tesi di:

Andrea Pagliarani

Relatore:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

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Obiettivi

• Ottimizzare il sistema di propulsione e

trazione di un veicolo ibrido con accesso

facilitato: l’Astura

• Analisi della Toyota Prius

• Analisi dell’Astura (due schemi di

trasmissione)

• Confronti tra le due vetture

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Gravità dei problemi ambientali

Norme restrittive, in modo graduale nel tempo, per permettere

adeguamento tecnico

Normative sulle emissioni delle auto di nuova omologazione

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Pro e contro dei veicoli ibridi HEV (Hybrid

Electric Vehicles)

Vantaggi

• Bassi consumi

• Rispetto delle

normative sulle

emissioni

• Eventuale utilizzo in

modalità solo

elettrica, comodo in

città

Svantaggi

• Aumento dei costi

• Senza utilizzo del

motore elettrico la

vettura è un

normale veicolo con

motore termico

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Ibrido in serie

• Coppia alle ruote solo da motore elettrico

• Il motore termico muove il generatore elettrico

• Batterie integrano potenza quando è richiesto surplus di potenza

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Ibrido in parallelo

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Ibrido scelto: ibrido “dual mode”

Vantaggi

• Flessibilità: possibile trazione a due o quattro ruote motrici

• Possibile modalità solo elettrica

• Semplice gestione

Svantaggi

• Costi

• Con batterie scariche il veicolo è come uno tradizionale con m.c.i.

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Componenti principali del sistema

• Motore termico di derivazione Fiat 1,9 jtd con modifiche per alimentazione a metano o idrogeno

• Motore elettrico a corrente continua a eccitazione in parallelo

• Batterie al litio polimero in grado di azionare il climatizzatore a veicolo spento per ½ ora 1000 2000 3000 4000 5000

rpm

100

200

300

400

coppia HNmL

1000 2000 3000 4000 5000rpm

10

20

30

40

50

60

70

Potenza mecc mot elettrico HKWL

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Modelli considerati per

l’Astura

• Motore termico anteriore

• Motore elettrico posteriore

• Due diversi sistemi di trasmissione all’anteriore

• Partenza con motore elettrico (trazione post.)

• Ad una certa velocità parte il motore termico

(trazione ant.)

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Modello matematico

• Modello a parametri concentrati

• Sospensioni considerate rigide

• Modello forza resistenza aerodinamica (N)

• Modello forza resistenza attrito (N)

Fresist = P(r0 + KV2 + i) + ρ Cx S V2

P: componente peso veicolo normale al terreno (N)

r0: cost. sperim. che dipende da tipo e condizioni sede stradale e da caratteristiche delle superfici

a contatto (N/kN)

K: coefficiente resistenza rotolamento pneumatici; r = r0 + k(V^2): resistenza specifica (N/kN)

i: tangente angolo inclinazione strada

ρ: densità aria (1,22 kg/m^3)

Cx: coefficiente penetrazione aerodinamica (stimato 0,3 per Astura, dichiarato 0,26 per la Prius)

S: superficie frontale (rettangolo che inscrive la sezione frontale del veicolo) (m^2)

V: velocità del veicolo (m/s)

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Modello “A”: cambio CVT

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• Si parte con motore elettrico fino 20,77 km/h

• Si prosegue con m.c.i. per velocità superiori

Vmax = 188 km/h

Si calcola minimo rapp. di trasmissione:

mmin = 2,55

Si calcola max. rapp. di trasmissione (pendenza max. superabile

40°):

mmax = 11,71

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Alcune grandezze ottenute

Regime rotazione

motore termico

(rpm) - velocità

Astura (km/h)

Coppia alle ruote

(Nm) - velocità

Astura (km/h)

Potenza alle ruote

(kW) - velocità

Astura (km/h)

25 50 75 100 125 150 175velocità HKmêhL

20

40

60

80

Potenza alle ruote HKWL

14

Modello “B”: cambio a 5 marce

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• Si parte con motore elettrico fino 17,17 km/h

• Si prosegue con m.c.i. per velocità superiori

Vmax = 198 km/h

Si calcola minimo rapp. di trasmissione:

mmin = 2,44

Si calcola max. rapp. di trasmissione (vel. min. = 10 km/h senza

usare frizione):

mmax = 12,06

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Risultati modello “B”

Rapporti di trasmissione

intermedi

• Rt1 = 4,95

• Rt2 = 3,32

• Rt3 = 2,22

• Rt4 = 1,49

• Rt5= 1

Regime motore termico (rpm)

- velocità Astura (km/h)

Velocità raggiungibili nelle

varie marce

• V1 = 40 km/h

• V2 = 60 km/h

• V3 = 89 km/h

• V4 = 133 km/h

• V5 = 198 km/h

50 100 150 200velocità veicolo HKmêhL

1000

2000

3000

4000

rpm motore termico

17

Alcune grandezze ottenute

Rapporto di

trasmissione -

velocità Astura

(km/h)

Coppia alle ruote

(Nm) - velocità

Astura (km/h)

Potenza alle ruote

(kW) - velocità

Astura (km/h)

50 100 150 200velocità HkmêhL

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

Rapp di trasmissione .

50 100 150 200

1000

2000

3000

4000

50 100 150 200velocità HKm êhL

20

40

60

80

Potenza alle ruote H KW L

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Velocità e accelerazioni

Modello “A” con cambio CVT Modello “B” con cambio 5M

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Modalità solo elettrica

Con CVT Con cambio 5M

20

•C’è un valore minimo in funzione del regime di rotazione

•Il consumo specifico max si ha con carico = 5 %, e vale 377 g/CVh a 1000 rpm

•Il consumo specifico min a carico = 100 % vale 163 g/CVh a 2000 rpm (per la

Prius si ha 204 g/CVh)

Consumi specifici Astura a carico = costante

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•Partono da un valore max al carico = 5 %

•Scendono fino ad un min attorno al carico = 30 %

•Oltre il carico 30 % rimangono pressochè costanti

Consumi specifici Astura a vari regimi costanti,

variando il carico del motore

22

Fattori migliorabili:

Cx, sezione

frontale

Osservazioni comparative Astura - Prius

23

Fattori migliorabili:

attriti, massa del

veicolo

Osservazioni comparative Astura - Prius

24

Somma delle

forze resistenti

viste prima

separatamente

25

Conclusioni

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I due tipi di trasmissione a confronto

Cambio CVT

• Velocità max minore

• Accelerazione minore

• Maggiormente “ecologico”

• Consumi più bassi

Cambio 5M

• Velocità max più alta

• Maggiore accelerazione

• Meno “ecologico”

• Consumi più alti

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Prof. Ing. Luca Piancastelli