ITMI20091672A1 - Banco prova dinamico per lo sviluppo e il collaudo di motori endotermici ed elettrici, particolarmente per la simulazione della trazione stradale - Google Patents

Description

Descrizione

BANCO PROVA DINAMICO PER LO SVILUPPO E IL COLLAUDO DI MOTORI ENDOTERMICI ED ELETTRICI, PARTICOLARMENTE PER LA SIMULAZIONE DELLA TRAZIONE STRADALE

La presente invenzione concerne un banco prova dinamico per la misurazione del momento torcente e del regime di rotazione sia di motori endotermici, a ciclo otto e diesel, sia di motori elettrici, per il rilievo delle prestazioni, nonché la simulazione della dinamica del moto di veicoli su strada (inerzia, attriti aerodinamici e di rotolamento) tramite l'applicazione di opportune coppie frenanti e motrici all'albero del motore in prova.

Banchi prova di questo tipo vengono normalmente impiegati in laboratorio per il rilievo di prestazioni e la misurazione delle emissioni inquinanti, nonché in ricerca e sviluppo su motori a combustione interna e su sistemi di propulsione con carburanti alternativi. L'impiego di detti banchi prova à ̈ comunque esteso anche a sistemi di propulsione alternativi, quali la propulsione con motori elettrici.

Un banco prova à ̈ un apparato in grado di assorbire l'energia meccanica prodotta dal motore in prova, detto assorbimento avvenendo secondo modalità che devono il più possibile simulare le varie situazioni di utilizzo del motore stesso.

I banchi prova motore sono oggetto di una continua evoluzione, sia perché sono notevolmente migliorate le prestazioni dei motori da provare, sia perché i test da effettuare sono sempre più complessi. Si pensi ad esempio alle norme sulle emissioni, sui consumi e sul rumore che richiedono, sia in fase di progetto, sia in fase di test, strumenti sempre più efficienti.

L'introduzione dei banchi prova dinamici, grazie alla loro capacità di simulare la dinamica del moto del veicolo su strada, ha consentito di trasferire in laboratorio un gran numero di test e collaudi che fino a qualche tempo fa erano possibili solo su strada, con notevoli vantaggi sia in termini di accuratezza dei rilievi, sia di riduzione di tempi e costi. Ovvio quindi che l'evoluzione dei banchi prova consolidi sempre di più questa tendenza.

Nel banco prova dinamico, le caratteristiche del veicolo sono simulate mediante la connessione del motore in prova con un sistema in grado di frenare e/o trascinare il motore stesso, simulando nel modo più fedele possibile le reali condizioni di esercizio.

In pratica vengono simulati gli effetti di attriti, inerzia, massa del veicolo, resistenza dell’aria imponendo al motore un momento torcente che, secondo i casi, tende a frenare o ad accelerare il motore stesso. È ovvio che tempi di risposta molto ridotti consentono di simulare più correttamente le caratteristiche di un veicolo completo.

I banchi prova più avanzati sono quindi definiti “dinamici†proprio per la loro capacità di applicare al motore sia le coppie tendenti a frenarlo, sia quelle tendenti ad accelerarlo, per simulare particolari effetti dovuti alla massa del veicolo in movimento. Si pensi, ad esempio, all'effetto frenante del motore quando viene rilasciato l'acceleratore, soprattutto se, contemporaneamente, viene inserita una marcia inferiore.

Una caratteristica fondamentale dei banchi prova dinamici à ̈ la prontezza di risposta che consente di simulare transitori molto rapidi quali quelli che si verificano nell'innesto e nel disinnesto della frizione nei cambi marcia, in particolare per la simulazione dei tracciati di guida. Questa particolarità diviene interessante nel caso di simulazione di competizioni sportive.

Il freno utilizzato in un banco prova dinamico à ̈ normalmente una macchina elettrica a corrente alternata o continua utilizzata, secondo i casi, come motore o come generatore, per applicare al motore in prova rispettivamente le coppie motrici o frenanti. L’energia meccanica del motore in prova viene trasformata in energia elettrica che viene restituita alla rete mediante un apposito convertitore.

Le caratteristiche principali di un banco prova dinamico sono l’elevata rapidità di risposta, la bassa inerzia e la possibilità di funzionare ad elevate velocità di rotazione. Sono importanti anche gli aspetti riguardanti la connessione alla rete; si richiede infatti un fattore di potenza elevato e bassa distorsione armonica.

La macchina elettrica che funge da generatore e da motore à ̈ normalmente una macchina asincrona. Questa soluzione permette di ottenere un basso momento di inerzia del rotore, ingombri ridotti e ridotta rumorosità.

Sono note delle realizzazioni che fanno uso di macchine sincrone, in quanto offrono dei vantaggi in termini di riduzione dei tempi di risposta e di riduzione degli ingombri.

Il collegamento tra il motore e la macchina elettrica (asincrona o sincrona) viene di norma effettuato mediante giunti meccanici. A causa dell'allineamento non perfetto degli alberi delle due macchine, dovuta alle inevitabili imperfezioni di lavorazione, Ã ̈ necessario utilizzare giunti cardanici o elastici, il che comporta due gravi inconvenienti, uno di natura tecnica ed uno di natura economica.

Un primo inconveniente, di natura tecnica, consiste nel fatto che si instaurano vibrazioni torsionali a causa dell'elasticità del giunto. Si creano variazioni di ampiezze e/o risonanze che richiedono uno studio molto accurato del giunto stesso, per non introdurre errori di inserzione eccessivi, non accettabili con le precisioni richieste dai motori di ultima generazione. Si ricorre a degli speciali algoritmi per correggere l'errore di misura, detti errori potendo, con i sistemi motore-generatore, essere compensati all'interno del singolo giro. Ciononostante, soprattutto ai regimi più bassi di rotazione, à ̈ praticamente impossibile eliminare le risonanze, le quali possono portare alla rottura degli elementi di collegamenti e, in qualche caso, anche alla rottura dell'albero motore.

Un secondo inconveniente, di natura economica, consiste nel fatto che la preparazione dell'apparato di prova diviene eccessivamente laboriosa. Questo fatto à ̈ assai penalizzante nel caso di prove di breve durata, in cui la preparazione può richiedere più tempo della prova stessa.

Anche le macchine sincrone presentano alcuni problemi, in quanto i magneti permanenti, che sono sul rotore, limitano, a causa della loro massa, il regime di rotazione. Detti magneti, molto pesanti, sono infatti soggetti ad uscire dalla loro sede a causa della forza centrifuga particolarmente intensa.

La presente invenzione risolve i problemi esposti tramite l'impiego di un apparato conforme alla rivendicazione 1. L'invenzione consiste cioà ̈ in un banco prova dinamico, per lo sviluppo e il collaudo di motori endotermici ed elettrici, del tipo che prevede l'impiego di una macchina elettrica quale generatrice di coppie motrici e frenanti da applicare al motore in prova, caratterizzato dal fatto che il rotore e l'involucro di detta macchina elettrica sono collegati rigidamente rispettivamente con l'albero e con la struttura di detto motore in prova, lo statore di detta macchina elettrica essendo supportato da detto involucro e libero di ruotare rispetto ad esso.

In pratica il rotore della macchina elettrica viene svincolato dallo statore della macchina stessa, quindi può essere reso solidale all'albero del motore in prova. I difetti di allineamento tra gli assi geometrici delle due macchine vengono resi ininfluenti in quanto assorbiti nel gioco comunque esistente tra statore e rotore nella macchina elettrica. Lo statore della macchina elettrica à ̈ montato libero di ruotare sul suo asse, ma la rotazione à ̈ di fatto impedita in quanto tra statore e involucro viene inserito un trasduttore di coppia per il rilievo del momento torcente.

È appena il caso di notare che questa operazione à ̈ possibile in quanto i disassamenti sono comunque molto piccoli, trattandosi di imprecisioni comunque contenute entro le tolleranze di lavorazione.

Secondo una forma preferita di attuazione dell'invenzione, la macchina elettrica à ̈ una macchina sincrona caratterizzata da una configurazione atta ad annullare l'effetto della forza centrifuga, per quanto concerne gli effetti sui magneti permanenti. Detta configurazione prevede che il rotore, con i magneti permanenti, sia esterno allo statore. In questo modo detto rotore può assumere la forma di un robusto anello, o tamburo, all'interno del quale vengono alloggiati i magneti permanenti. Grazie a questa configurazione la forza centrifuga tende a spingere i magneti stessi contro la struttura di supporto, anziché a separarli dalla struttura stessa.

L'impiego di un apparato secondo l'invenzione consente quindi di superare gli inconvenienti della tecnica anteriore. In particolare la preparazione della prova viene resa assai più rapida, grazie al collegamento diretto del rotore della macchina elettrica con l'albero del motore in prova, mentre l'eliminazione dei giunti di collegamento elimina alla radice tutti gli inconvenienti connessi con l'elasticità dei giunti stessi.

L'aver superato gli inconvenienti dovuti alla limitata velocità di rotazione, consente inoltre di estendere i vantaggi dell'utilizzo della macchina sincrona a tutti i regimi di rotazione del motore da provare.

L'invenzione verrà ora descritta, a scopo illustrativo e non limitativo, secondo una forma preferita di attuazione e con riferimento alle figure allegate in cui:

la figura 1 mostra un motore in prova collegato con una macchina elettrica sincrona;

la figura 2 mostra un motore in prova collegato con una macchina elettrica asincrona.

Con riferimento alla fig. 1, con (1) Ã ̈ indicato l'insieme di un motore (2) e di una macchina elettrica sincrona (3). Detto insieme (1), montato su una struttura di supporto (non rappresentata), costituisce il banco prova dinamico secondo l'invenzione.

Il motore (2) comprende una struttura, o monoblocco (4), provvista di appositi fori filettati e spine di centraggio (5) per il collegamento al sistema di trasmissione, e un albero a gomiti (6), o albero motore, sul quale à ̈ montato un volano (7).

Il motore rappresentato à ̈ un motore endotermico a pistoni e ad esso verrà fatto riferimento nel prosieguo della descrizione, in particolar modo per quanto concerne gli elementi di collegamento con la macchina elettrica. Infatti la struttura dei motori endotermici per trazione stradale à ̈ normalmente provvista, dalla parte della presa di potenza, di detti fori filettati e spine di centraggio (5) che vengono utilizzati per il montaggio del sistema di trasmissione. Tuttavia anche la struttura dei motori elettrici à ̈ normalmente provvista di una flangia di collegamento che, nel caso di impiego per trazione stradale, viene utilizzata per il collegamento del motore stesso con il sistema di trasmissione. Inoltre il motore elettrico non prevede, di norma, l'impiego di detto volano (7) che, come si vedrà nel seguito, viene anch'esso utilizzato per il collegamento con la macchina elettrica.

A sua volta la macchina elettrica sincrona (3) comprende una struttura (8), che costituisce l'involucro di detta macchina sincrona (3) e che funge da supporto allo statore (9), il quale à ̈ libero di ruotare attorno al proprio asse. Detta macchina elettrica sincrona (3) comprende anche un rotore (10), sul quale sono montati dei magneti permanenti (11).

Secondo una forma preferita di attuazione, il rotore (10) ha la forma di un anello, o tamburo, (10a) solidale ad un disco (10b), detto tamburo (10a) e detto disco (10b) essendo coassiali tra loro e con lo statore (9). I magneti permanenti (11) sono montati all'interno del tamburo (10a) del rotore (10) e sono ovviamente interfacciati allo statore (9) con opportuno traferro.

Fatto salvo che il rotore (10) deve comunque comprendere un anello ferromagnetico, esso potrà essere vantaggiosamente realizzato in parte con materiali molto leggeri e resistenti, quali i materiali compositi, ad esempio a base di fibre di carbonio, oppure le leghe del titanio e dell'alluminio. In questo modo si riducono sensibilmente le masse rotanti, con un conseguente ampliamento del campo di applicazione della macchina sincrona (3) verso i motori di minor potenza e/o di regime di rotazione più elevato.

Il rotore (10) viene montato sul volano (7) del motore (2), quindi l'involucro (8), con lo statore (9) della macchina sincrona (3), vengono montati sul monoblocco (4) utilizzando i fori di fissaggio e le spine di riferimento (5) presenti su detto monoblocco (4).

L'eventuale collegamento del rotore (10) con l'albero di un motore elettrico, che normalmente à ̈ sprovvisto di volano, potrà essere effettuato senza particolari problemi, calettando il disco (10b) del rotore (10) direttamente sull'albero del motore elettrico.

Il montaggio avviene rispettando la coassialità fra albero a gomiti (6) del motore (2), rotore (10) e statore (9) della macchina sincrona (3).

L'apparato di prova si completa mediante un encoder (12) ad alta risoluzione, una presa di potenza elettrica (13) ed un trasduttore di coppia (14). È poi presente un sistema di raffreddamento a liquido (15) per asportare il calore generato durante il funzionamento.

Il trasduttore di coppia (14) viene montato tra l'involucro (8) e lo statore (9), bloccando di fatto la rotazione reciproca, a meno di una quantità assai piccola che corrisponde alla deformazione della cella di carico di detto trasduttore di coppia (14).

Nell'apparato di prova l'insieme del volano (7) e del rotore (10) dovrà avere una massa e dei momenti d'inerzia, calcolabili con algoritmi di tipo noto, tali da simulare al meglio le condizioni reali di esercizio del motore (2).

Il funzionamento dell'apparato di prova avviene collegando l'encoder (12) e il trasduttore di coppia (14) ad una strumentazione di tipo noto (non rappresentata) utilizzando tecniche anch'esse note.

Un'alternativa al funzionamento descritto consiste nel collegare l'encoder (12) e la presa di potenza elettrica (13) ad una strumentazione di tipo noto (non rappresentata) utilizzando tecniche anch'esse note. In tal caso non occorre il trasduttore di coppia (14) e, quindi, lo statore (9) può essere collegato rigidamente all'involucro (8) della macchina sincrona (3).

Come appare chiaro dalla descrizione che precede, il montaggio dell'apparato di prova diviene assai semplice e veloce, essendo necessario montare solamente il rotore (10) sul volano (7) e l'involucro (8), in blocco con lo statore (9), sui fori filettati e le spine di fissaggio (5) del monoblocco (4), senza nessuna particolare attenzione agli allineamenti. Inoltre l'assenza di un giunto di collegamento elimina alla radice tutti i problemi connessi con le risposte dinamiche del giunto stesso.

Inoltre la speciale configurazione della macchina sincrona (3) consente di contrastare efficacemente la forza centrifuga agente sui magneti (11), superando brillantemente le limitazioni di impiego delle macchine sincrone della tecnica nota.

Il tipo di montaggio descritto si presta ad essere utilizzato anche con una macchina asincrona (20), del tipo di quelle normalmente impiegate nei banchi prova dinamici della tecnica nota, come mostrato in fig.2. Poiché il rotore (21) di una macchina asincrona non ha particolari problemi connessi con le elevate velocità di rotazione, detto rotore (21) di detta macchina asincrona (20) potrà rimanere nella sua normale posizione. Anche in questo caso l'involucro (22) della macchina asincrona, che funge da supporto allo statore (23), verrà collegato rigidamente con la struttura (4) del motore (2) utilizzando i fori di fissaggio e le spine di riferimento (5) presenti sul monoblocco (4).

Il funzionamento dell'apparato comprendente una macchina asincrona (20) avviene anche in questo caso utilizzando il trasduttore di coppia (14) o la presa di potenza elettrica (13).

Nel caso di utilizzo di una macchina asincrona (20), ovviamente, non si avranno i vantaggi relativi all'impiego di una macchina sincrona (3), rimarranno tuttavia i vantaggi, assai rilevanti, connessi con l'eliminazione del giunto di collegamento.

L'invenzione à ̈ stata descritta, a scopo esemplificativo e non limitativo, secondo una forma di attuazione preferita e di una sua variante. Il tecnico esperto del settore potrà trovare numerose altre forme di attuazione, tutte ricadenti nell'ambito di protezione delle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Banco prova dinamico, per lo sviluppo e il collaudo di motori endotermici ed elettrici, del tipo che prevede l'impiego di una macchina elettrica quale generatrice di coppie motrici e frenanti, l'albero motore di detto motore endotermico o elettrico essendo collegato al rotore di detta macchina elettrica con mezzi idonei a trasferire coppie frenanti e motrici da detto motore endotermico o elettrico a detto rotore di detta macchina elettrica e viceversa, caratterizzato dal fatto che detti mezzi idonei a trasferire coppie frenanti e motrici da detto motore endotermico o elettrico (2) a detto rotore (10, 21) di detta macchina elettrica (3, 20) e viceversa, comprendono un collegamento rigido tra detto albero motore (6) e detto rotore (10, 21), l'involucro (8, 22) di detta macchina elettrica (3, 20) essendo collegato rigidamente alla struttura (4) di detto motore endotermico o elettrico (2).
2. 2. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto rotore (10, 21) di detta macchina elettrica (3, 20) Ã ̈ collegato rigidamente al volano (7) di detto motore (2).
3. 3. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto collegamento rigido tra la struttura (4) di detto motore (2) e detto involucro (8, 22) di detta macchina elettrica (3, 20) Ã ̈ ottenuto utilizzando i fori di fissaggio e le spine di riferimento (5), realizzati su detta struttura (4) per il collegamento di detto motore (2) con il sistema di trasmissione.
4. 4. Banco prova dinamico, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta macchina elettrica, generatrice di coppie motrici e frenanti, Ã ̈ una macchina elettrica sincrona (3).
5. 5. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il rotore (10) di detta macchina elettrica sincrona (3) ha la forma di un anello, o tamburo, (10a) solidale ad un disco (10b), detto tamburo (10a) e detto disco (10b) essendo coassiali tra loro e con lo statore (9) di detta macchina elettrica sincrona (3), detto tamburo (10a) di detto rotore (10) alloggiando sulla sua superficie interna dei magneti permanenti (11), i quali sono interfacciati a detto statore (9).
6. 6. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la struttura del rotore (10) di detta macchina elettrica sincrona (3) Ã ̈ realizzato in materiale non ferroso.
7. 7. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale non ferroso à ̈ un materiale composito.
8. 8. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto materiale composito à ̈ a base di fibre di carbonio.
9. 9. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale non ferroso à ̈ una lega a base di titanio o alluminio.
10. 10. Banco prova dinamico, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta macchina elettrica, generatrice di coppie motrici e frenanti, Ã ̈ una macchina elettrica asincrona (20).