ITMI20091673A1 - Banco prova dinamico modulare a rulli per la simulazione di prove su strada di veicoli, in particolare veicoli stradali - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

BANCO PROVA DINAMICO MODULARE A RULLI PER LA SIMULAZIONE DI PROVE SU STRADA DI VEICOLI, IN PARTICOLARE VEICOLI STRADALI

La presente invenzione concerne un banco prova dinamico modulare a rulli per la simulazione di prove su strada di veicoli. Il banco prova viene utilizzato per la misurazione del momento torcente e del regime di rotazione del motore, per il rilievo delle prestazioni, nonché la simulazione della dinamica del moto su strada (inerzia, attriti aerodinamici e di rotolamento) tramite l'applicazione di opportune coppie frenanti e motrici alle ruote motrici del veicolo in prova.

Banchi prova dinamici a rulli vengono normalmente impiegati in sale prova 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.

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

I banchi prova per veicoli 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 sala prova 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 di rulli, messi in rotazione dalle ruote motrici del veicolo 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, attraverso le ruote, 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 condizioni reali di esercizio.

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 è 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 è normalmente una macchina elettrica a corrente alternata utilizzata, secondo i casi, come motore o come generatore. L’energia meccanica del motore in prova viene trasformata in energia elettrica che viene restituita alla rete mediante un apposito convertitore.

La caratteristiche principali di un banco prova dinamico sono l’elevata rapidità di risposta, la bassa inerzia e la possibilità di funzionare ad elevate velocità. 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 freno e da motore è normalmente una macchina asincrona raffreddata ad aria. 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.

I rulli e la macchina elettrica (asincrona o sincrona) vengono di norma posizionate sullo stesso asse.

Nel caso di banchi prova per autoveicoli, la macchina elettrica viene posta tra i due rulli ed è provvista di un albero sul quale sono calettati i rulli stessi. Detta macchina elettrica è montata in modo basculante per consentire il rilievo della coppia mediante idoneo trasduttore.

Nel caso di banchi prova per motoveicoli, il rullo è unico e la macchina elettrica sporge lateralmente al rullo stesso. Il collegamento tra l'asse del rullo e l'albero della macchina elettrica viene effettuato mediante un giunto elastico o una coppia di giunti cardanici.

Queste soluzioni presentano diversi inconvenienti.

Per quanto concerne i banchi prova per autoveicoli, il particolare assemblaggio obbliga entrambi i rulli a ruotare alla stessa velocità, quindi impedisce di simulare il comportamento in curva dell'autoveicolo.

Un primo inconveniente dei banchi prova per motoveicoli 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, 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, è praticamente impossibile eliminare le risonanze, le quali possono portare alla rottura degli elementi di collegamento.

Un secondo inconveniente dei banchi prova per motoveicoli consiste nel fatto che la macchina elettrica è posta lateralmente al rullo e, quindi, occupa un rilevante spazio lateralmente al rullo stesso.

Sono note anche delle realizzazioni che fanno uso di due o quattro rulli, a seconda che si debbano provare auto a due o a quattro ruote motrici, ciascuno di detti rulli essendo collegato con una macchina elettrica sporgente lateralmente, come avviene nel caso dei banchi prova per motoveicoli.

In questo modo si riesce a simulare il comportamento del veicolo in qualsiasi situazione, tuttavia permangono i problemi connessi con l'elasticità dei giunti di collegamento dei rulli con la rispettiva macchina elettrica. Inoltre è rilevante lo spazio occupato dalle macchine elettriche sporgenti lateralmente ai rulli. Infine un banco prova a rulli è un apparato a sé stante, assemblato cioè per un particolare tipo di veicoli. Se è per motoveicoli ha uno o due rulli, mentre se è per autoveicoli ha due o quattro rulli. Qualora si volesse simulare in modo completo, cioè per ciascuna ruota, un percorso stradale di un veicolo a tre ruote, un banco a quattro rulli per autoveicoli sarebbe inadatto, a causa della disposizione dei rulli stessi. Se poi si volesse simulare il comportamento di veicoli a tre o più assi occorrerebbe assemblare dei banchi prova specifici. Tali banchi avrebbero ovviamente un costo molto elevato ed occuperebbero uno spazio assai rilevante, tuttavia hanno una notevole rigidità di utilizzo. Infatti un banco per un veicolo a sei assi non può essere utilizzato contemporaneamente per sottoporre a prove un veicolo a due ed un veicolo a quattro assi, così come un banco per un veicolo a quattro assi non può essere utilizzato contemporaneamente per due veicoli a due assi. Ciò ovviamente a causa del fatto che la disposizione degli assi in un veicolo, ad esempio di quattro assi, non è compatibile con la disposizione degli assi di due veicoli a due assi, anche in considerazione degli ingombri delle carrozzerie.

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 cioè in un banco prova dinamico ad uno o più rulli, per la simulazione di prove su strada di veicoli, del tipo che prevede l'impiego di una o più macchine elettriche quali generatrici di coppie motrici e frenanti da applicare al veicolo in prova, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette macchine elettriche è posizionata all'interno di ciascun rullo, il rotore di dette macchine elettriche essendo preferibilmente solidale e coassiale con detti rulli e lo statore di detta macchina elettrica essendo solidale con detta struttura.

Secondo una forma preferita di attuazione, ciascun rullo, con la relativa macchina elettrica, è montato su una struttura ad esso dedicata, in modo da costituire un modulo. L'assemblaggio di due o più moduli consente di ottenere banchi prova per le specifiche esigenze.

Un banco prova per motoveicoli comprende uno o due moduli, mentre un banco prova per autoveicoli comprende due o quattro moduli, a seconda che la simulazione debba interessare solo le ruote motrici o tutte le ruote del veicolo. Analogamente, assemblando opportunamente tre moduli si può comporre un banco prova per tricicli, mentre con sei o più moduli si possono ottenere banchi prova per veicoli a più di due assi.

Secondo un'altra forma preferita di attuazione il rotore delle macchine elettriche è posto all'esterno dello statore. In questo modo il rotore può agevolmente essere reso solidale ad un rullo, mentre lo statore viene reso solidale alla struttura di supporto dell'apparato. In particolare l'albero dello statore funge da supporto per i cuscinetti sui quali ruota il rullo e, con esso, il rotore.

Secondo un'ulteriore forma preferita di attuazione dell'invenzione, la macchina elettrica è una macchina sincrona. La particolare configurazione che prevede il rotore esterno è particolarmente atta ad annullare l'effetto della forza centrifuga, per quanto concerne gli effetti sui magneti permanenti. Infatti il 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. Il fatto di aver posto le macchine elettriche all'interno dei rispettivi rulli consente di ridurre in modo sostanziale gli ingombri dell'apparato. La particolare configurazione consente inoltre di collegare rigidamente ciascun rotore al rispettivo rullo e, quindi, l'eliminazione dei giunti di collegamento, eliminando così alla radice tutti gli inconvenienti connessi con l'elasticità dei giunti stessi. Secondo una forma di realizzazione preferita, il rullo stesso coincide con il rotore.

La particolare disposizione delle macchine elettriche all'interno dei rispettivi rulli consente di realizzare moduli assai compatti che possono essere agevolmente affiancati in modo da disporsi agevolmente in coincidenza delle ruote di qualsiasi tipo di veicolo. Sarà quindi sufficiente predisporre una struttura di opportune dimensioni, provvista di mezzi di fissaggio per detti moduli, per assemblare banchi prova per qualsiasi tipo di veicolo. Ne risulta quindi un banco prova atto ad effettuare prove anche su più veicoli contemporaneamente, semplicemente posizionando opportunamente i vari moduli.

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 di interesse pratico.

L'impiego di un apparato secondo l'invenzione consente quindi di ottenere un impianto dalle dimensioni assai contenute e, grazie all'impiego di una macchina sincrona, quale generatrice di momenti frenanti e acceleranti, consente di ottenere una migliore simulazione della prova grazie ai tempi di risposta ridotti.

Verrà ora descritto, a scopo illustrativo e non limitativo, un modulo comprendente un rullo, la relativa macchina elettrica e la struttura di supporto. Il tecnico esperto del settore non avrà alcuna difficoltà a realizzare un banco prova per veicoli di qualsiasi tipo, semplicemente assemblando il numero di moduli necessario.

L'invenzione verrà ora descritta secondo una forma preferita di attuazione e con riferimento alle figure allegate in cui:

la figura 1 mostra un modulo, equipaggiato con una macchina elettrica sincrona, costituente un banco prova dinamico secondo l'invenzione; la figura 2 è l'ingrandimento di una parte della figura 1;

la figura 3 mostra una prima variante del modulo secondo l'invenzione, equipaggiato con una macchina elettrica sincrona;

la figura 4 mostra una seconda variante del modulo secondo l'invenzione, equipaggiato con una macchina elettrica sincrona;

le figure 5 (a, b, c, d, e) mostrano alcune possibili assemblaggi del modulo secondo l'invenzione per prove su veicoli di diversa configurazione.

Con riferimento alle figg. 1 e 2, con (1) è indicato un modulo costituente un banco prova dinamico secondo l'invenzione. Detto modulo (1) comprende una struttura (2) che funge da supporto ad un albero (3) che, a sua volta, supporta una coppia di cuscinetti (4) su cui ruota un rullo (5) sul quale agisce la ruota motrice (non rappresentata) del veicolo in prova.

L'albero (3) è libero di ruotare all'interno dei suoi supporti per consentire la misurazione del momento torcente sviluppato dalla ruota motrice del veicolo in prova. Nel seguito verrà precisato meglio la funzione di detta rotazione in relazione allo strumento di misura adottato.

All'interno del rullo (5) è alloggiata una macchina elettrica sincrona (6). Secondo una forma di attuazione preferita il rotore di detta macchina sincrona (6) coincide con detto rullo (5), mentre lo statore (7) di detta macchina sincrona (6) è collegato rigidamente con detto albero (3). Il rotore (5) ha la forma di un anello, o tamburo, al cui interno sono alloggiati dei magneti permanenti (8).

L'apparato di prova si completa mediante un encoder (9) ad alta risoluzione, una presa di potenza elettrica (10) ed un trasduttore di coppia (11). È poi presente un sistema di raffreddamento a liquido (12) per asportare il calore generato durante il funzionamento.

Il trasduttore di coppia (11) viene montato tra l'albero (3) e la struttura (2), 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 (11).

Nell'apparato di prova il rullo (5), che costituisce il rotore, completo dei magneti permanenti (8), 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 veicolo in prova.

Il funzionamento dell'apparato di prova avviene collegando l'encoder (9) e il trasduttore di coppia (11) ad una strumentazione di tipo noto (non rappresentata) utilizzando tecniche note.

Un'alternativa al funzionamento descritto consiste nel collegare l'encoder (9) e la presa di potenza elettrica (10) ad una strumentazione di tipo noto (non rappresentata) utilizzando tecniche anch'esse note. In tal caso non occorre il trasduttore di coppia (11) e, quindi, l'albero (3) può essere collegato rigidamente alla struttura di supporto (2).

Nella fig. 3 è mostrata una variante (1a) del modulo secondo l'invenzione, equipaggiato con una macchina elettrica sincrona (20).

Come appare chiaro dalla figura, la macchina sincrona (20) è realizzata secondo la normale configurazione che prevede il rotore (21) posizionato all'interno dello statore (22).

Secondo detta variante (1a) illustrata nella fig. 3, la macchina elettrica sincrona (20) comprende una flangia (23), che si collega rigidamente all'involucro (24) di detta macchina sincrona (20). Detta flangia (23) è solidale ad una parte cilindrica (25) che viene vincolata, libera di ruotare attorno al proprio asse, da un primo supporto (2a) di detta struttura (2), detta rotazione essendo di fatto impedita dalla presenza del trasduttore di coppia (11). L'albero (3a) della macchina elettrica (20) ruota sui cuscinetti (4a) supportati dall'involucro (24) e dalla flangia (23).

Sull'albero (3a) è calettato un rullo (26) sul quale agisce la ruota (non rappresentata) del veicolo in prova.

Allo scopo di ridurre i carichi sul supporto (2a), l'albero (3a) è preferibilmente supportato alla sua estremità da un secondo supporto (2b) di detta struttura (2), con l'interposizione di un cuscinetto a rotolamento, in quanto la velocità di rotazione dell'albero (3a) è alquanto elevata.

L'apparato si completa con un encoder ad alta definizione (9a) e una presa di potenza elettrica (10).

Nella fig.4 è mostrata un'altra variante (1b) del modulo secondo l'invenzione, equipaggiata con una macchina elettrica sincrona (20).

Anche in questo caso la macchina sincrona (20) è realizzata secondo la normale configurazione che prevede il rotore (21) posizionato all'interno dello statore (22).

Nella variante (1b) illustrata nella fig. 4, la macchina elettrica sincrona (20) è montata sulla struttura di supporto (2) come nel caso della variante illustrata nella fig. 3. Il rullo (25), invece, viene montato sull'albero (3a) della macchina elettrica (20), ma viene anche supportato dal lato opposto da un cuscinetto (28), supportato a sua volta dalla struttura (24) della macchina elettrica (20). Nella descrizione che precede, si è sempre fatto riferimento ad una macchina sincrona, in quanto consente di ottenere le migliori prestazioni. Tuttavia è sempre possibile l'utilizzo di una macchina asincrona, con l'utilizzo della quale si hanno gli stessi vantaggi che nel caso dell'utilizzo di una macchina sincrona per quanto concerne la compattezza dell'apparato. Si hanno ovviamente prestazioni inferiori, a fronte però di un costo inferiore.

Nelle figg. 5 (a, b, c, d, e) sono mostrati alcuni possibili assemblaggi del modulo (1, 1a, 1b) secondo l'invenzione, per prove su veicoli di diversa configurazione. In particolare:

in fig. 5a è mostrata una configurazione con un solo modulo (1, 1a, 1b), idonea per prove su motoveicoli, qualora la simulazione interessi la sola ruota motrice;

in fig. 5b è mostrata una configurazione con due moduli (1, 1a, 1b), idonea per prove su motoveicoli, qualora la simulazione interessi entrambe le ruote;

in fig. 5c è mostrata una configurazione con due moduli (1, 1a, 1b), idonea per prove su autoveicoli a due ruote motrici, qualora la simulazione interessi le sole ruote motrici;

in fig. 5d è mostrata una configurazione con quattro moduli (1, 1a, 1b), idonea per prove su autoveicoli a quattro ruote motrici, e su autoveicoli a due ruote motrici, qualora la simulazione interessi anche le ruote non motrici;

in fig.5e è mostrata una configurazione con sei moduli (1, 1a, 1b), idonea per prove su veicoli, a tre assi.

Sono ovviamente possibili altre configurazioni di detti assemblaggi, in funzione del numero e della disposizione delle ruote dei veicoli da provare. I moduli possono essere fissati direttamente sul pavimento del laboratorio, prevedendo opportuni mezzi di fissaggio. In alternativa può essere prevista una struttura metallica, a sua volta fissata al pavimento, munita di opportuni mezzi di fissaggio.

Come appare chiaro dalla descrizione che precede, il banco prova dinamico a rulli secondo l'invenzione permette di ottenere notevoli vantaggi, sia per quanto concerne la riduzione degli ingombri, sia per quanto concerne l'eliminazione di giunti tra ciascun rullo e la relativa macchina elettrica che funge da freno e da motore, eliminando alla radice tutti i problemi connessi con l'elasticità dei giunti stessi. Rende poi possibile la realizzazione di banchi prova per veicoli di qualsiasi configurazione, semplicemente assemblando i moduli (1, 1a, 1b) nel numero e nella posizione occorrente.

L'invenzione è stata descritta secondo due forme preferite di attuazione. Il tecnico esperto del settore potrà trovare numerose altre forme di attuazione, tutte ricadenti nell'ambito di protezione delle rivendicazioni che seguono.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Banco prova dinamico a uno o più rulli, per la simulazione di prove su strada di veicoli, detti rulli essendo girevoli rispetto ad una struttura di supporto e collegati ad una o più macchine elettriche, quali generatrici di coppie motrici e frenanti, dette coppie motrici e frenanti essendo applicate alle ruote motrici del veicolo in prova tramite detti rulli, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti rulli (5, 24, 25) è accoppiato ad una macchina elettrica (6, 20) posizionata al suo interno.
2. 2. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rotore di dette macchine elettriche (6, 20) è solidale e coassiale con detti rulli (5, 26, 27).
3. 3. Banco prova dinamico, secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il rotore (5) di detta macchina elettrica (6) è esterno allo statore (7) di detta macchina elettrica (6).
4. 4. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto rotore (5) di detta macchina elettrica (6) coincide con detto rullo (5).
5. 5. Banco prova dinamico, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'albero (3) di detta macchina elettrica (6) è montato su detta struttura di supporto (2) libero di ruotare attorno al proprio asse, in modo da permettere l'inserzione di mezzi (11) per il rilievo del momento torcente sviluppato dal veicolo in prova.
6. 6. Banco prova dinamico, secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il rotore (21) di detta macchina elettrica (20) è interno allo statore (22) di detta macchina elettrica (20).
7. 7. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta macchina elettrica (20) è montata su detta struttura di supporto (2) mediante una flangia (23) solidale all'involucro (24) di detta macchina elettrica (20).
8. 8. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto rullo (26) è montato a sbalzo sull'albero (3a) di detta macchina elettrica (20).
9. 9. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto rullo (27) è montato sull'albero (3a) di detta macchina elettrica (20) e supportato dal lato opposto da un cuscinetto (28), supportato a sua volta dall'involucro (24) di detta macchina elettrica (20).
10. 10. Banco prova dinamico, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che ciascun rullo (5, 26, 27) e la relativa macchina elettrica (6, 20) sono supportati da una struttura (2), detta struttura (2), detto rullo (5, 26, 27) e detta macchina elettrica (6, 20) costituendo un modulo (1, 1a, 1b).
11. 11. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere l'assemblaggio di una pluralità di moduli (1, 1a, 1b) per comporre un banco prova a rulli specifico per ciascuna possibile configurazione delle ruote del veicolo da provare.
12. 12. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detti moduli (1, 1a, 1b) sono assemblati su una struttura provvista di mezzi di fissaggio.
13. 13. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta struttura provvista di mezzi di fissaggio è il pavimento del laboratorio in cui sono installati detti moduli (1, 1a, 1b).
14. 14. Banco prova dinamico secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13, caratterizzato dal fatto che detta macchina elettrica (6, 20) è sincrona.
15. 15. Banco prova dinamico secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto rotore (5) di detta macchina elettrica sincrona (6) ha la forma di un anello, o tamburo, all'interno del quale sono montati dei magneti permanenti (8).
16. 16. Banco prova dinamico, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13, caratterizzato dal fatto che detta macchina elettrica (6, 20) è asincrona.