Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

16 luglio 2011

Un esempio di applicazione della metodologia DoE

Rubrica: Metodologie della progettazione meccanica
Titolo o argomento: Esempio di applicazione della metodologia DoE – Caratterizzazione di schiume di alluminio come assorbitori d’urto

Indipendentemente dai dati strettamente legati all’esempio, questo viene riportato per concretizzare il concetto di “metodologia DoE” espresso nell’articolo: Metodologia DoE – Design of Experiment.

Per intenderci gli assorbitori d’urto frontale sono quei componenti il cui compito è assorbire un urto deformandosi (formazione di cerniere plastiche negli elementi scatolati) o sfaldandosi (elementi in composito). Si tratta di componenti largamente utilizzati ad esempio nell’industria automobilistica per migliorare la sicurezza passiva di un veicolo.

Dalla curva Carico-Spostamento (rappresentata poco più in basso), oltre a rilevare il comportamento dell’assorbitore d’urto, si ricava l’energia assorbita tramite una semplice operazione di integrazione. La prova si pone di scoprire se le schiume di alluminio (materiali cellulari), iniettate dentro l’assorbitore d’urto, sono in grado di rendere la deformazione plastica graduale e quindi stabile nel comportamento.

Attraverso l’applicazione della metodologia DoE si investiga in primo luogo sugli effetti della densità in relazione alla capacità di assorbimento; in secondo luogo si cerca di comprendere il ruolo della schiuma come riempitivo di profilati. Si realizza pertanto un “piano degli esperimenti” come quello rappresentato nella tabella di seguito. Un simile piano è detto fattoriale. Più esattamente, in questo caso, ci troviamo davanti ad un piano fattoriale di 2^k prove, ovvero un piano a 2 livelli e k fattori. I fattori sono le variabili in ingresso (in questo caso: spessore, densità) mentre i 2 livelli possono essere interpretati come segue: il provino “tubo + schiuma” da 2 mm può avere densità 600 kg/m^3 oppure densità 900 kg/m^3. Stesso dicasi per lo spessore da 3 mm. Ciò significa che ciascuno dei due fattori ha 2 livelli. Pertanto un piano fattoriale 2² consisterà in 4 prove da eseguire per gestire tutte le combinazioni possibili dei livelli dei fattori.

Le prove del piano A forniranno interessanti dati sull’effetto della densità e dello spessore in relazione alla capacità d’assorbimento dei provini composti e la possibile interazione tra lo spessore del tubo e la densità. Le prove del piano B permetteranno di valutare come la schiuma influenzi la risposta del tubo. Il risultato dell’analisi dei dati di questo esempio permetterà di scoprire che la schiuma iniettata nel tubo consente di aumentare notevolmente l’energia assorbita, inoltre non vi è alcuna interazione tra la densità e lo spessore del tubo.

Maggiori informazioni:
Sito web dell’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Sito web dell’Università degli Studi di Padova
Sito web www.qualitastatistica.it

14 luglio 2011

Metodologia DoE – Design of Experiment

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Introduzione alla metodologia DoE

Design of Experiment significa progettare un esperimento. Si tratta di una metodologia (metodo statistico attivo) utilizzata in ambito di progettazione industriale. Essa consiste nel realizzare una serie di prove nelle quali le variabili in ingresso (fattori) vengono variate secondo una modalità programmata. Questo permette di individuare le ragioni per le quali ciò che viene esaminato è cambiato. Si individua quindi, in modo programmato, la causa di ogni effetto ottenuto facendo tesoro delle condizioni che hanno generato determinati risultati.

Solitamente la procedura sperimentale più immediata si effettua eseguendo una o più prove, per ogni valore della variabile indipendente che si desidera studiare, lasciando inalterate tutte le altre condizioni. La valutazione degli effetti della variazione di altri parametri si ottiene ripetendo, per ognuno di essi, lo stesso tipo di procedimento. Ne viene da sé che la valutazione dell’effetto di ogni parametro, per una precisa combinazione di tutti gli altri, non tiene conto delle interazioni tra i vari parametri. Pertanto tale procedura, anche se più immediata, omette lo studio degli effetti di variazioni contemporanee di due o più parametri.

La metodologia DoE, invece, si basa su prove caratterizzate dalla variazione simultanea di più di un parametro. Tale metodologia può essere utilizzata sia nello sviluppo, sia nella messa a punto di un processo allo scopo di migliorarne le prestazioni o di ottenere un processo robusto (ovvero insensibile alle sorgenti esterne di variabilità). Gli obiettivi dell’esperimento possono consistere nel determinare le variabili che hanno più influenza sulla risposta; determinare le modalità attraverso le quali aggiustare le variabili al fine di ottimizzare la risposta; determinare le modalità di correzione delle variabili per minimizzare la variabilità della risposta. La progettazione degli esperimenti è uno strumento fondamentale che permette di migliorare un processo (aumento del volume di prodotto; riduzione della variabilità; preciso rispetto delle specifiche di un progetto; riduzione dei tempi di sviluppo; riduzione dei costi totali) o svilupparne di nuovi.

Esempio di applicazione della Metodologia DoE

7 luglio 2011

I numeri del nucleare

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: I numeri, i costi, il bilancio.

Una veloce e chiara introduzione alle problematiche del nucleare. Un testo rapido ed efficace che risponde a tutte le vostre domande in modo chiaro, ordinato, oggettivo e riscontrabile.

Statistiche

L’energia nucleare è arrivata a coprire il 16% del fabbisogno energetico del pianeta. Una quota senza dubbio rilevante la quale, prima del disastro del Giappone, continuava a crescere. Ora la tendenza pare si sia invertita. Si inizia a puntare seriamente sulle rinnovabili ma questo implica, oltre che un costante lavoro di ricerca in particolar modo da parte delle Università di tutto il mondo, anche un’educazione del singolo cittadino*.

Nel 1980 erano presenti ben 243 centrali nucleari in grado di produrre un totale di 140.000 MW. Nel 1990 si arrivò a ben 419 centrali nucleari per una produzione totale di energia pari a 325.000 MW. Dopo Chernobyl la crescita di tali impianti ha subìto un importante rallentamento e, dopo il disastro del Giappone, non solo si parla di rallentamento ma, persino, di dietrofront ed inizio smantellamento di diverse centrali a partire proprio da quelle giapponesi per arrivare a quelle della Germania.

Funzionamento

L’energia prodotta durante la fissione nucleare fa vaporizzare l’acqua contenuta in una vasca. Il vapore poi alimenta una turbina che muove un generatore di elettricità. Un generatore tutto sommato molto simile a quello collegato alle pale degli impianti eolici.

Alimentazione

Forse non tutti sanno che l’uranio che si trova in natura è presente sotto forma di diversi isotopi e, solo lo 0,7% dell’uranio disponibile è adatto alla reazione di fissione. Si tratta dell’uranio 235 (U235). L’altro tipo, l’uranio 238 (U238), non è di alcuna utilità alla reazione di fissione. Per questa ragione si esegue un’operazione in cui l’uranio viene “arricchito” per portare la percentuale di U235 ad almeno il 3-4%.

Una centrale nucleare da 1000 MW necessita di circa 30 tonnellate di uranio arricchito all’anno. Tale quantità ha un ingombro assai modesto dato che viene contenuta in un solo vagone ferroviario o in un container. Per fare un confronto, una centrale alimentata a carbone ha bisogno di 2 milioni di tonnellate di minerale che vengono trasportati in 38.000 carri ferroviari.

Densità energetica

Un chilogrammo di uranio arricchito ha lo stesso contenuto energetico di 1800 tonnellate di greggio, o di 2600 tonnellate di carbone, o di oltre 2,1 milioni di metri cubi di metano.

Emissioni

L’energia nucleare può essere realizzata in volumi considerevoli senza produrre anidride carbonica (né tantomeno ossidi di zoldo e di azoto, causa di piogge acide). Molti però dimenticano che durante la fase di estrazione dell’uranio, l’anidride carbonia e gli altri inquinanti, vengono comunque emessi nell’atmosfera. D’altra parte però non si può negare che il trasporto (speciale) dell’uranio, grazie alla sua elevata densità energetica, implica una minore emissione di anidride carbonica rispetto al carbone o al greggio.

Differenza tra fissione e fusione

Vedi articolo specifico: Differenza tra fissione e fusione nucleare

Tipologie di reattori

PWR: Pressurized Water Reactor ovvero reattori ad acqua pressurizzata. In questa tipologia d’impianto il fluido refrigerante è portato in contatto con un fluido secondario il quale vaporizza raggiungendo poi la turbina.

BWR: Boiling Water Reactor ovvero reattori ad acqua bollente. In questo impianto il calore del reattore viene ceduto all’acqua la quale, sotto forma di vapore, viene inviata direttamente in turbina.

Costi

I costi iniziali di investimento sono molto alti rispetto agli altri tipi di centrali per la produzione dell’energia elettrica. Anche i rischi che corre l’investitore sono decisamente alti, in particolar modo se vi sono ritardi nelle autorizzazioni, incidenti o imprevisti di ogni sorta, o se si opera in un mercato deregolamentato dove ha successo chi offre il prezzo più basso dell’energia (non vi è quindi la possibilità di alcun “cartello”). Il Massachusetts Institute of Technology stima la spesa di costruzione di una centrale nucleare intorno ai 2000 dollari per chilowatt installato. Questo si traduce in 2 miliardi di dollari necessari per realizzare una centrale da 1000 MW. Una centrale di pari prestazioni, alimentata a carbone, costa 1,3 miliardi di dollari. Alimentandola a gas si scende a 500 milioni di dollari.

Nel 2001 l’estrazione dell’uranio aveva un costo pari a 13 Dollari/chilogrammo. Nel 2006 il prezzo dell’estrazione ha raggiunto i 100 Dollari/chilogrammo. Nel Maggio del 2007 il prezzo dell’estrazione superava i 200 Dollari/chilogrammo.

Nel momento in cui termina la vita utile della centrale nucleare o decade il periodo nel quale questa è considerata in sicurezza, si procede allo smantellamento (anche questa operazione si ripercuote in bolletta). Tale operazione si chiama “decommissioning”. Una simile operazione, oltre ad essere estremamente complessa, è estremamente costosa. Nel 2005 vi erano ben 110 reattori fermi di cui solo 8 smantellati in modo completo. Questo è accaduto perchè i costi di smantellamento reali si sono dimostrati decisamente più alti dei già impressionanti costi previsti: si va dai 500 milioni di dollari fino a circa 2,6 miliardi di dollari.

Se si considera che l’età limite delle attuali centrali è di circa 30 anni**, i notevoli costi di realizzazione dell’impianto, i notevoli costi in termini di sicurezza e di stoccaggio dei rifiuti radioattivi ed i notevoli costi (nonché tempi) di smantellamento dell’impianto, non rendono una centrale nucleare realmente vantaggiosa.

Tempi

Spesso si ritiene che la costruzione di una centrale nucleare venga completata in 5 anni. I casi reali invece riportano tempi di ben 15 anni. I ritardi che si manifestano nella realizzazione dell’impianto, o nell’ottenimento dei permessi, comportano costi aggiuntivi che aumentano il rischio per gli investitori nonché, ovviamente, i costi in bolletta.

I tempi di smantellamento, poi, sono di gran lunga superiori ai tempi di realizzazione dell’impianto. Possono essere stimati tra i 50 ed i 330 anni con relativi ingenti costi.

Riserve

Il pianeta dispone di riserve pari a 2 milioni di tonnellate di uranio estraibile al prezzo di 40 Dollari al chilogrammo. Tali riserve sono sufficienti ad alimentare tutte le centrali attuali per circa 50 anni oppure ad alimentare il numero attualmente in diminuzione per tempi maggiori.

Ma non è tutto. Vi è infatti un altro milione di tonnellate di riserve di uranio che però possono essere estratte con costi superiori al chilogrammo. Si parla di cifre comprese tra i 40 e gli 80 Dollari al chilogrammo. Più costa l’estrazione, più sale la bolletta.

Se si sale a prezzi di estrazione di 105 Dollari al chilogrammo, si trovano la bellezza di altre 800.000 tonnellate di uranio.

Infine, se si estende la possibilità di alimentare le centrali nucleari con altri “elementi” (torio, plutonio), le riserve aumentano ancora. Il problema che rimane invariato è che difficilmente si andrà oltre il secolo di “autonomia” (con i rischi, i costi e le conseguenze che questo comporta) a differenza del sole, del mare e del vento i quali, oltre ad essere “puliti”, saranno disponibili per tempi estremamente lunghi (alcuni miliardi di anni).

Sicurezza

La sicurezza degli impianti è motivo di forte preoccupazione così come il confinamento geologico delle scorie ad alta radioattività. Le scorie definite a “bassa radioattività” hanno un potenziale radioattivo che decade dopo alcune centinaia d’anni. Esse vengono stoccate in depositi sub-superficiali (profondità di poche decine di metri) dove rimarranno almeno 300 anni. Le scorie che invece sono definite ad “alta radioattività” costituiscono un volume 20 volte inferiore rispetto alle precedenti. Tuttavia la loro radioattività persiste per migliaia d’anni. Per tale ragione vengono raffreddate in depositi superficiali per qualche decennio, dopodiché vengono inserite, per tempi geologici, in un deposito sotterraneo all’interno di particolari argille, sali e graniti. Anche queste operazioni hanno un costo che si ripercuote in bolletta.

*La richiesta di energia è sempre in aumento ed i fornitori semplicemente tentano di accontentare questa richiesta. Ne viene da sé che se ognuno di noi fosse accorto nell’utilizzo dell’energia, in particolar modo all’interno della propria abitazione, non sarebbe necessario ricorrere eccessivamente ad energie che producono alti livelli di anidride carbonica.

**Le centrali nucleari che erano in fase di progettazione prima del disastro in Giappone si stimava avrebbero avuto una vita utile di 60 anni.

1 luglio 2011

Energia nucleare: differenza tra fissione e fusione

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: Fissione nucleare e fusione nucleare. Le differenze.

La fissione è un tipo di reazione nucleare da prendere in considerazione solo per nuclei ad elevato numero atomico* (torio Z=90; protoattinio Z=91; uranio Z=92). Tale reazione consiste in un nucleo, ad esempio di uranio, il quale viene colpito da un neutrone assorbendolo. Nell’istante che segue, il nucleo, si spezza in altri due nuclei di medio numero atomico rilasciando un determinato numero di neutroni liberi (in genere due o tre). In ogni atto elementare di fissione viene liberata una quantità di energia uguale alla differenza tra l’energia complessiva di legame dei nucleoni* che formano i nuclei risultanti e l’energia complessiva di legame dei nucleoni che formano il nucleo originario. L’energia liberata dalla fissione nucleare è enorme e corrisponde a circa 20 milioni di chilocalorie per grammo di uranio trasformato. Un’energia paragonabile a quella ricavata dalla combustione di 2 tonnellate di petrolio.

A dispetto delle apparenze, leggere la formuletta sopra è molto più semplice di quanto si possa pensare. Tradotta in italiano significa che l’uranio con numero di massa 235 e numero atomico 92 assorbe il neutrone (numero di massa 1 e numero atomico 0), che con esso si è scontrato, formando l’uranio con numero di massa 236 e numero atomico 92. Un istante dopo avviene la fissione che divide l’uranio in Bario con numero di massa 142 e numero atomico 56 e Cripto con numero di massa 91 e numero atomico 36, più tre neutroni liberi.

La fusione è il processo di combinazione di due nuclei molto leggeri i quali per l’appunto, fondendosi, danno origine ad un nucleo più pesante. Tale processo è accompagnato dalla liberazione di una quantità di energia impressionante. Decisamente più alta di quella liberata durante le reazioni di fissione. La fusione può essere realizzata solo se i nuclei reagenti di deuterio e di tritio hanno un’energia cinetica sufficientemente alta al momento della collisione. Questa infatti deve poter vincere la fortissima repulsione reciproca coulombiana dei due elementi. Affinché ciò sia possibile è necessario portarli a temperature impensabili di decine-centinaia di milioni di gradi. Solo in tali condizioni gli atomi sono ionizzati ed il gas è formato da una miscela di ioni positivi e di elettroni negativi (stato di plasma). L’altissima temperatura ovviamente non permette il contatto con pareti solide in quanto nessun materiale potrebbe resistere. Per questa ragione il gas deve essere costretto nel suo volume di reazione tramite potenti campi magnetici.

Il deuterio (isotopo stabile dell’idrogeno con numero atomico 1 e numero di massa 2) sommato con il tritio (isotopo radioattivo dell’idrogeno con numero atomico 1 e numero di massa 3) forma un isotopo dell’elio (con numero atomico 2 e numero di massa 4) più un neutrone.

*Note.
I protoni ed i neutroni sono le parti costituenti il nucleo di un atomo e vengono detti nucleoni.
Il numero di nucleoni e quindi di protoni+neutroni è detto numero di massa.
Il numero di protoni è detto numero atomico.
I nuclidi sono le diverse specie di atomi caratterizzate da nuclei di definita composizione.
Gli isòtopi sono i diversi nuclidi di uno stesso elemento che hanno lo stesso numero atomico e si differenziano solo per il numero di massa.
Deuterio: isòtopo stabile dell’idrogeno.
Tritio: isòtopo radioattivo dell’idrogeno.

4 giugno 2011

Che cos’è la Meccatronica?

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: La Meccatronica

La “meccatronica” è una branca dell’ingegneria che coniuga sinergicamente più discipline quali l’Ingegneria Meccanica, l’Ingegneria Elettronica, l’Ingegneria Informatica, l’Ingegneria del Software, l’Ingegneria dell’Automazione e l’Ingegneria della Progettazione di Sistemi allo scopo di realizzare un sistema integrato detto anche sistema tecnico.

Inizialmente la meccatronica è nata dalla necessità di fondere insieme la meccanica e l’elettronica da cui il nome. Successivamente l’esigenza di realizzare sistemi tecnici sempre più complessi ha portato alla necessità di integrare anche le altre discipline sopra elencate. I principali campi di applicazione sono la robotica, l’automazione industriale, l’automotive e gli azionamenti elettrici.

La “Progettazione e la costruzione di macchine*”, grazie alla meccatronica, ora include, oltre agli elementi di macchine meccanici, anche gli elementi meccatronici. Con tale espressione si intendono gli attuatori (regolatori, convertitori e trasformatori di energia) in qualità di elementi che comandano il moto, i sensori in qualità di elementi che rilevano le variabili di stato di un processo ed i dispositivi di controllo o regolatori i quali elaborano, secondo una determinata legge di regolazione, le variabili di stato rilevate e inviano agli attuatori istruzioni di comando in modo che questi intervengano correttamente nel processo in corso in relazione alle necessità.

La Meccatronica rappresenta l’ennesimo esempio riportato su questo blog per dimostrare come lo studio e l’approfondimento di più temi, da porre in collegamento, si riveli di notevole importanza per raggiungere soluzioni evolute. Questo concetto oggi è alla base di molti settori e risulta impensabile oramai farne a meno.

*Il termine macchina designa un insieme di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro, dotati di azionatori, circuiti di comando, ecc. e connessi solidalmente per un’applicazione ben determinata, capace quindi di compiere lavoro con una forza di natura diversa da quella dell’uomo (ad eccezione delle macchine semplici).

Schema generale di controllo del cambio SMG di BMW. Si tratta di una trasmissione con cambio e frizione robotizzati con possibilità di impostare ben 11 programmi di guida per un’ampia gamma di esigenze comprese tra il masssimo comfort e la massima sportività. Senza un connubio tra meccanica ed elettronica tale soluzione sarebbe stata impossibile da realizzare.

24 maggio 2011

Lotus Active Valve Train (AVT): circuito idraulico e diagramma distribuzione

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa
Titolo o argomento: Circuito idraulico e diagramma distribuzione Lotus AVT (Active Valve Train)

Circuito idraulico. Nella prima immagine (in basso a sinistra) è possibile osservare come nel sistema di controllo attivo della distribuzione realizzato da Lotus (ormai in studio da diversi anni) l’olio ad alta pressione comandi sia l’apertura (schema a sinistra) che la chiusura (schema a destra) della valvola. Ovviamente la gestione del sistema idraulico è affidata alla centralina elettronica. Gli attuatori, molto compatti, funzionano con una pressione di 200 bar.

Modulabilità. Nella seconda immagine (in basso a destra) è rappresentato un diagramma sul quale è possibile osservare quale sarebbe il profilo dell’alzata con un albero a camme tradizionale (curva viola) e come invece possa essere modificato con il sistema AVT della Lotus (la curva verde mostra una apertura più veloce rispetto alla curva arancione).

Peculiarità del dispositivo. La distribuzione attiva Lotus (AVT) elimina la necessità di cambiare una moltitudine di componenti del motore qualora si decida di variare la fasatura delle valvole, l’alzata delle valvole, la durata della fase di aspirazione e scarico, i punti della fase nei quali si ha la massima alzata sia dell’aspirazione che dello scarico, la durata dell’incrocio delle valvole, l’angolo tra i punti di massima alzata di aspirazione e scarico (angolo di calettamento). Questo accelera notevolmente i tempi di sviluppo del motore stesso e riduce i costi del lavoro e della produzione. Basti pensare al fatto che, per verificare differenti comportamenti del motore, non è necessario sostituire e progettare nuovi alberi a camme, non è necessario smontare/montare la testata, non è necessario rimettere in fase la distribuzione, non è necessario cambiare tipologie di molle e punterie, non è necessario controllare la cinghia di distribuzione… AVT è pertanto un sistema che offre la possibilità di effettuare una ricerca piuttosto flessibile.

Altro fattore da non trascurare è che AVT ha la capacità di controllare indipendentemente ogni valvola con variazioni ad ogni ciclo. Questo è fondamentale se consideriamo che la situazione reale, all’interno di un motore, varia continuamente rispetto alle condizioni “standard” considerate in fase di progetto. Inoltre, persino le condizioni tra un cilindro e l’altro possono essere differenti e rese, tramite opportune correzioni, più omogenee.

AVT è uno strumento che può essere adattato ad una grande varietà di motori a fini della ricerca e dello sviluppo. La Lotus conduce una moltitudine di prove tecniche specialmente su appositi motori monocilindrici nei quali possono essere controllati cicli a due e quattro tempi e, in fase di ricerca spinta, anche cicli a 6 ed 8 tempi. Lotus Active Valve Train controlla l’apertura e la sincronizzazione delle valvole mantenendo le accelerazioni di apertura e chiusura delle tradizionali valvole. L’utente può persino selezionare e memorizzare nella centralina elettronica di AVT fino a 128 profili di apertura/chiusura delle valvole a scelta tra diverse migliaia di profili presenti nell’archivio Lotus.

Link correlati

Lotus Active Valve Train (AVT) – La distribuzione senza alberi a camme by Lotus
Lotus Active Valve Train (AVT) – Circuilto idraulico e diagramma distribuzione
Lotus Active Valve Train (AVT) – Performance della distribuzione Lotus AVT

22 maggio 2011

La distribuzione senza alberi a camme: Lotus AVT (Active Valve Train)

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa
Titolo o argomento: Lotus AVT (Active Valve Train)

Negli ultimi anni Lotus ha ideato (e con il tempo affinato) un sistema di distribuzione privo di alberi a camme, bicchierini, molle… Si tratta di un dispositivo che adotta degli attuatori comandati idraulicamente e delle valvole elettroidrauliche proporzionali al posto della tradizionale distribuzione con valvole comandate da alberi a camme e da molle. Questo significa che, grazie ad un circuito dell’olio ad alta pressione ed uno a bassa pressione, è possibile far aprire e, invertendo i circuiti, chiudere la valvola idraulicamente con l’alzata desiderata, la velocità desiderata e con i tempi desiderati. Oltre ad un gran risparmio in termini di componenti meccaniche presenti sul motore (con conseguente riduzione dei costi di produzione), si gode di un gran vantaggio in termini di flessibilità: minori tempi di sviluppo e possibilità di modifiche decisamente elevate (ottimale quando si fa ricerca sulle prestazioni ottenibili da diverse tipologie di motori).

Il sistema si chiama Lotus Active Valve Train (AVT) e viene messo a disposizione, di chi desidera sperimentarlo, a costi tutto sommato contenuti. Si parla infatti di soli 1245,00 Dollari per il pacchetto di componenti destinate ad un semplice motore di prova da laboratorio.

Un attuatore idraulico a doppio effetto viene fissato alla testa del cilindro in posizione coassiale con la valvola del motore. Il pistoncino di ogni attuatore idraulico è direttamente collegato alla valvola del motore. Un trasduttore è collegato alla parte superiore del pistoncino e consente di monitorare accuratamente la posizione della valvola.

La distribuzione AVT utilizza un controller PID (Proportional Integral Derivative) per rilevare e correggere in automatico, e ad ogni ciclo, lo spostamento effettivo di ogni valvola con il valore di spostamento desiderato. Il funzionamento del sistema è costantemente monitorato per individuare eventuali malfunzionamenti quali ad esempio: perdita pressione olio, perdita segnale posizione albero motore, perdita segnale posizione valvole, o ancora per evitare il contatto tra pistoni e valvole o tra le valvole stesse.

Link correlati

Lotus Active Valve Train (AVT)

Lotus Active Valve Train (AVT) è un sistema reso disponibile da Lotus
a chi desidera effettuare ricerche in campo motoristico.

16 maggio 2011

Che cos’è un simulatore multibody?

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Introduzione al concetto di simulatore multibody

Un “simulatore multibody” è un particolare tipo di software largamente utilizzato nell’ingegneria (meccanica, industriale, dell’automazione, aerospaziale, astronautica, dei materiali…). Esso è in grado di simulare sistemi di parti meccaniche rigide, parti meccaniche flessibili, parti meccaniche collegate da giunti rigidi, parti meccaniche collegate da giunti elastici, parti meccaniche soggette a qualsiasi sistema di forze, parti meccaniche che compiono spostamenti (traslazione – rotazione), parti meccaniche integrate a sistemi di controllo.

Con il termine “sistema multibody” si intende un sistema meccanico costituito da un insieme di corpi rigidi collegati tra loro in modo da avere un moto relativo. Gli elementi di un sistema multibody sono collegati tra loro da coppie cinematiche o giunti. Un giunto consente il moto relativo tra due elementi in certe direzioni e lo impedisce in altre. Gli elementi che costituiscono un sistema multibody sono pertanto: corpi (in genere rigidi), vincoli o coppie cinematiche (i vincoli sono dispositivi che limitano il moto relativo tra due o più corpi), forze (esterne).

I simulatori di sistemi multibody sono programmi che eseguono l’analisi del moto di sistemi meccanici. Più precisamente sono in grado di analizzare sia la cinematica che la dinamica del sistema. Questa caratteristica li contraddistingue nettamente dai software di animazione 3D i quali permettono di tener conto solo della cinematica*. Alcuni importanti esempi di simulatori multibody sono rappresentati dai software: Adams, DADS, Visual Nastran.

Esistono simulatori multibody specifici per i sistemi bidimensionali (moto dei sistemi nel piano) e quelli dedicati ai sistemi tridimensionali (moto dei sistemi nello spazio). Le problematiche in entrambi i simulatori sono le medesime; ciò che si complica nel caso tridimensionale è la matematica chiamata in causa la quale risulta decisamente più complessa.

Nei simulatori multibody si analizza generalmente il moto di sistemi composti da corpi rigidi. Qualora la flessibilità dei corpi non possa essere trascurata, è possibile ricondurre i corpi flessibili a sistemi di corpi rigidi uniti da vincoli, elasticità e smorzamenti concentrati. In alternativa è possibile inserire nel modello multibody un modello di corpo flessibile generato tramite una precedente analisi FEM (Finite Element Method). Gli elementi necessari per definire un corpo appartenente ad un sistema multibody sono:

Un sistema di riferimento ad esso solidale, detto sistema di riferimento locale, con origine nel centro di massa del corpo e assi orientati preferibilmente come gli assi principali d’inerzia del corpo.
La massa del corpo.
Il tensore d’inerzia del corpo espresso rispetto al sistema di riferimento locale.
Eventuali sistemi di riferimento ausiliari, utili per la definizione dei vincoli.
La definizione della geometria è necessaria nel caso in cui si tenga conto degli eventuali contatti tra i vari corpi.

*I più sofisticati software di animazione 3D attuali permettono di realizzare semplici sistemi dinamici, tuttavia tale caratteristica ha il solo scopo di migliorare il realismo di un’animazione e non di fornire una vera e propria analisi.

Simulazione multibody - Simulazione sistemi meccanici

Nell’immagine il modello tridimensionale dello schema di sterzo e sospensioni di un prototipo di veicolo. Grazie ai simulatori multibody è possibile compiere un’analisi sia cinematica che dinamica del sistema.

10 maggio 2011

Che cos’è un freno rigenerativo?

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Il freno rigenerativo

Il freno rigenerativo è un dispositivo in grado di recuperare energia utile quando si frena un veicolo (auto elettriche, auto ibride, autobus, tram, metropolitane, treni, di recente anche scooter e moto elettriche nonché e-bike e persino F1). E’ noto che, durante la frenata, una quantità non indifferente di energia posseduta dal veicolo viene persa sotto forma di attrito generato dal contatto delle pasticche con i dischi e quindi trasformata in calore.

Sulle “normali” autovetture tale energia è in parte recuperabile ponendo sulla trasmissione un generatore elettrodinamico. Questo consente di non utilizzare costantemente l’alternatore per l’alimentazione delle funzioni di comfort e sicurezza ottenendo così un risparmio di carburante pari a circa il 3%. L’alternatore, che è trascinato dal motore tramite una cinghia trapezoidale, può essere quindi disinserito in fase di accelerazione non gravando sul motore stesso.

Sulle vetture “elettriche” e su quelle “ibride” invece i motori elettrici di trazione vengono riutilizzati in frenatura come generatori elettrici in quella che viene definita frenatura elettrodinamica. Qui il compito della rigenerazione non è quello di alleggerire il carico del motore, bensì quello di ricaricare le batterie destinate all’alimentazione del veicolo in modalità elettrica.

Il freno rigenerativo, oltre ad aiutare notevolmente il rallentamento del veicolo, permette di convertire l’energia cinetica del veicolo in energia elettrica disponibile per le batterie anziché in attrito e quindi in calore inutilmente perso nell’aria. Ciò si traduce anche in un gran risparmio di elementi quali pasticche e dischi dei freni e in una conseguente minore immissione nell’aria di polveri finissime molto fastidiose sia per la salute dell’uomo sia per la pulizia e l’ordine del mezzo.

D’altra parte però il continuo alternarsi delle fasi di trazione (l’energia elettrica viene trasformata in energia meccanica) e rigenerazione (l’energia meccanica viene trasformata in energia elettrica per uso inverso del motore elettrico) provoca forti surriscaldamenti del motore elettrico il quale è spesso provvisto di un circuito di raffreddamento a liquido.

Inoltre la capacità di frenare il veicolo viene interrotta alle basse velocità ragione per cui, il freno rigenerativo, non può essere considerato un sostituto ma un assistente del tradizionale impianto frenante. A velocità ridotte il rotore (presente all’interno del motore elettrico) ha una velocità angolare insufficiente per generare il potenziale necessario ad ottenere un corretto effetto frenante. L’efficienza del generatore si riduce notevolmente con la riduzione della velocità angolare del rotore. Ne deriva un drastico calo della forza frenante. Per il completo arresto del veicolo risulta quindi necessario anche un impianto frenante tradizionale che sfrutta l’attrito.

E’ importante tener presente che, ogni qualvolta acceleriamo, consumiamo ingenti quantità di carburante che letteralmente gettiamo “al vento” ad ogni successiva frenata (specie in città). Anche un guidatore modello che in città evita inutili rapide accelerazioni, e frequenti frenate, non può evitare simili sprechi senza una tecnologia dedicata.

In figura una soluzione molto interessante della ZF destinata agli autobus ibridi. Nel dettaglio sono visibili i motori elettrici di trazione i quali, all’occorrenza, fungono anche da generatori per la ricarica delle batterie offrendo un utilissimo effetto frenante.