Capitolo 2 – Lo scooter ibrido sul modello ZIP 50 4T della Piaggio S.p.A.
2.1 Modello di base per lo sviluppo dello scooter ibrido
figura 2.1 Scooter Piaggio Zip 50 e alcuni dati tecnici forniti dal costruttore.
Come già detto, uno dei principali obiettivi del progetto in analisi, è una rapida commercializzazione; quindi lo scooter ibrido sarà sviluppato su una
“piattaforma” commercialmente e tecnicamente consolidata come lo scooter Zip 50 della Piaggio. In questo modo potremo fare affidamento su una componentistica nota e affidabile che ci consentirà sia di valutare quali parti dello scooter originale sono adatte al progetto, sia di fare i confronti necessari per valutare come cambia il funzionamento dello scooter ibrido rispetto al modello di partenza.
La parte sulla quale sicuramente non possiamo contare è tutto quello che può considerarsi “sistema elettrico di bordo” che dovrà subire drastici cambiamenti, quindi facciamo l’ipotesi di cambiarla drasticamente senza approfondire l’analisi dell’ attuale sistema di accumulo e di generazione che presenta notevoli limiti.
(Questa considerazione è avvalorata da alcuni dati forniti dal costruttore per caratterizzare il generatore elettrico attualmente montato sullo scooter. I grafici che non sono riportati, denotano un rendimento eccessivamente basso per una macchina elettrica, si tratta quindi di una macchina elettrica di non pregevole fattura.)
I punti sui quali concentremo la nostra analisi sono tre:
- il motore a combustione interna, - la macchina elettrica,
- il sistema di accumulo.
Per l’analisi del motore a combustione interna faremo riferimento a una tabella di dati fornita dal costruttore dello scooter di partenza, si tenga presente che per caratterizzare il funzionamento del motore a combustione interna non possiamo prescindere dall’analisi del sistema CVT (Continuously Variable Transmission) che incide notevolmente sul funzionamento del motore stesso; per la macchina elettrica faremo sostanzialmente riferimento ai dati forniti al costruttore per il prototipo da installare sullo scooter ibrido mentre per il sistema di accumulo decideremo e valuteremo in base ai valori di potenza del sistema quale sia la scelta opportuna da mettere nel prototipo.
Una ultima considerazione: come è noto, ad oggi, gli scooters di piccola cilindrata possono essere guidati senza licenza di guida e da persone minorenni;
questo ha indotto il legislatore a imporre alcune limitazioni a tale tipologia di veicoli per poter essere commercializzati. Una di queste limitazioni riguarda la massima velocità raggiungibile ed è ottenuta imponendo dei vincoli al CVT, che in questo modo limiterà il rapporto di trasmissione, non consentendo di raggiungere al veicolo velocità superiori ai 45 km/h. Senza questo accorgimento, lo scooter Zip 50 in analisi, riesce a raggiungere i 65 km/h.
2.2 Il motore a combustione interna
Il motore a combustione interna è un motore monocilindrico a quattro tempi,
con due valvole ed una cilindrata di 50 cc.. Piaggio ha effettuato una serie di
prove sperimentali per descriverne il comportamento. I dati fanno riferimento al
modello senza alcuna limitazione sul CVT, tale condizione nei dati riportati è
definita “libera”; gli stessi dati sono distinti secondo la tipologia di alimentazione
del motore a combustione interna, denominate una a pieno carico e una a carico
parziale, a seconda della quantità di carburante immessa nella camera di
combustione. La dicitura Pieno carico individua la condizione di valvola a farfalla
completamente aperta e quindi massima immissione di carburante nella camera di
combustione ed è plausibile che si riferisca ad una condizione di accelerazione del
mezzo; la dicitura carico parziale fa riferimento ad una apertura della valvola a
farfalla parziale e quindi ad una minore immissione di combustibile nella camera
di combustione ed è probabile che faccia riferimento ad un moto a velocità costante quindi ad accelerazione nulla. Va evidenziato come tutte le prove facciano riferimento allo scooter tradizionale e quindi ad un sistema di immissione di combustibile puramente meccanico, come quello del sistema manopola-valvola a farfalla; nel modello di scooter ibrido sarà pensato un sistema di immissione di combustibile controllato da una centralina di controllo che dovrà decidere come e quanto combustibile immettere nella camera di combustione non legando direttamente la manopola e quindi i comandi del pilota con l’immissione di carburante nella camera di combustione.
Come ultima considerazione è da tenere presente che tutti i valori di potenza riportati in tabella 2.1 sono valori di potenza misurati alla ruota, quindi depurati di tutte le possibili perdite, visto che sono a valle del CVT, della cascata degli ingranaggi e con il generatore elettrico coassiale all’albero motore in funzione.
tabella 2.1: Punti caratteristici di funzionamento - (a) pieno carico - (b) carico parziale.
2.3 Il CVT
Il motore a combustione interna, durante il suo funzionamento, eroga
potenza all’albero motore; questa potenza, come è noto, non è utilizzabile per il
moto del veicolo, perché è fornita con valori di coppia e velocità angolari tali da non consentire il moto del veicolo. Per trasmettere il moto al veicolo sono necessari appositi sistemi di trasmissione che siano in grado di trasmettere la potenza erogata alle ruote con opportuni valori di coppia e velocità angolari.
Senza dilungarci nella elencazione dei vari sistemi utilizzati per conseguire il risultato voluto, ci limitiamo a citare il sistema di cambiata utilizzato sullo scooter in esame che è il CVT. Il CVT, acronimo di Continuously Variable Transmission, è pensato in modo da variare automaticamente, in modo meccanico, il rapporto di trasmissione tra ruota e albero motore (nello scooter in esame in realtà il CVT trasferisce la potenza dall’albero motore ad un altro albero, detto albero condotto, e da questo la potenza viene trasmessa, attraverso un apposito sistema di ingranaggi, all’albero della ruota motrice). In definitiva il rapporto di trasmissione tra albero motore e albero condotto varia istante per istante, mentre il rapporto di trasmissione tra albero condotto e albero della ruota è fisso. Una volta definita la velocità di rotazione dell’albero condotto sarà quindi definita la velocità di traslazione dello scooter e viceversa. Si noti come invece velocità di traslazione e regime di rotazione del motore a combustione interna non siano legati da un rapporto fisso proprio per la presenza del CVT.
Prima di affrontare l’analisi e la modellazione del CVT montato sullo scooter è opportuno fare una breve panoramica su questo sistema di trasmissione.
2.3.1 Aspetti costruttivi del CVT
Il CVT non è altro che una evoluzione dei sistemi di trasmissione attraverso cinghie e pulegge. Tali sistemi pensati appositamente per la trasmissione del moto tra due assi, sono costituiti nel caso più banale da una cinghia e da due pulegge, una chiamata condotta e una motrice.
Nella condizione classica il rapporto di trasmissione è definito una volta per
tutte, dato che il rapporto tra le velocità angolari delle pulegge è pari, in qualsiasi
condizione di funzionamento, al rapporto tra i raggi delle pulegge (Funaioli, Maggiore, Meneghetti)
1.
figura 2.2 Sistema di trasmissione a cinghia.
Il principio di utilizzo del CVT parte proprio da qui, se è possibile variare il raggio di avvolgimento delle pulegge in modo opportuno è possibile variare anche il rapporto di trasmissione del sistema e quindi il legame fra le velocità della puleggia motrice e della puleggia condotta.
Per ottenere questo risultato la prima modifica dovrà essere effettuata sulle pulegge. Per poter variare il raggio di avvolgimento le pulegge devono essere formate da due tronchi di cono, uno fisso ed uno mobile disposti in modo che possano avvicinarsi nel caso in cui il raggio di avvolgimento stia aumentando o allontanarsi nel caso il raggio di avvolgimento stia diminuendo. Chiaramente dato che la cinghia è inestensibile ad un avvicinamento dei piatti nella puleggia motrice corrisponde un allontanamento dei piatti della puleggia condotta.
La seconda modifica coinvolgerà la cinghia utilizzata; per come sono fatti i piatti, la sua sezione dovrà essere trapezoidale in modo da garantire il contatto tra le superfici tronco coniche e la cinghia stessa nelle varie condizioni di funzionamento; spesso anche nei normali sistemi di trasmissione a cinghia si preferisce utilizzare una cinghia a sezione trapezoidale e delle pulegge con profili appropriati (gola a V) perché garantiscono una migliore aderenza, e in genere un miglior funzionamento (Funaioli, Maggiore, Meneghetti)
5.
1 E . F u n a i o l i , A . M a g g i o r e , U . M e n e g h e t t i - L e z i o n i d i m e c c a n i c a a p p l i c a t a a l l e ma c c h i n e , P à t r o n e d i t o r e
1 9 9 6 , v o l u me I , p a g 3 3 4 - 3 3 5
In questo modo sfruttando semplicemente i principi elementari della rotazione si ottiene che, man mano che i giri dell’albero motore aumentano, la cinghia si allontani dall’albero attorno al quale ruota e i piatti si avvicinino, mentre i piatti della puleggia condotta indotti da questo movimento si allontaneranno mentre la cinghia tende a ridurre il proprio raggio di avvolgimento attorno all’albero condotto. Non si ritiene utile approfondire oltre il livello di analisi del CVT in questa sede.
In definitiva il CVT è costituito da:
- Una puleggia motrice, montata sull’albero motore;
- Una puleggia condotta, montata sull’albero condotto;
- Una cinghia inestensibile.
Si ricorda che le pulegge sono composte da due piatti tronco conici, di cui uno è fisso e l’altro può muoversi assialmente rispetto all’albero sul quale sono calettati entrambi piatti. In questo modo è possibile variare il diametro di avvolgimento della cinghia attorno agli alberi in rotazione, variando il rapporto di trasmissione in funzione del regime di rotazione dell’albero motore.
2.3.2 Funzionamento del CVT
La letteratura sul CVT è molto vasta per quanto riguarda gli sforzi e le deformazioni che avvengono durante il funzionamento statico. Purtroppo per quanto concerne i transitori e il rendimento durante la varie fasi di cambiata non c’è altrettanta ricchezza, per cui dovremmo fare alcune ipotesi per modellare il comportamento del CVT, tenuto presente che per lo scopo del presente lavoro ciò che interessa è avere una relazione che leghi in modo univoco i giri della ruota ai giri dell’albero del motore a combustione interna durante il funzionamento dello scooter e viceversa.
Per schematizzare e valutare il comportamento del CVT abbiamo a
disposizione un grafico sperimentale della Piaggio S.p.A. che fornisce il numero
dei giri dell’albero motore in funzione dei giri della ruota. La curva di cambiata
risulta descritta dalla figura che è riportata di seguito.
figura 2.3 Curva di cambiata sperimentale del CVT montato sullo Zip 50.
