Limitando il campo di interesse al rendimento, ci si chiede quale sia la reale differenza tra una trasmissione semplice e una complessa. Per trovare una risposta sono state considerate due trasmissioni idromeccaniche, pensate per un autobus della classe 12 m.
La trasmissione idromeccanica, o power split idraulica, è una trasmissione continua [1]. Essa è stata introdotta negli anni ‘90 nel settore dei trattori agricoli per migliorare il confort di guida delle trasmissioni tradizionali, spesso faticose nell’uso continuativo. Nella sua versione più semplice la potenza viene trasmessa parte attraverso un ramo meccanico e parte attraverso un gruppo idrostatico; le velocità e le potenze dei due rami si sommano successivamente in un rotismo epicicloidale. In tal modo, regolando la velocità del gruppo idrostatico, si potrà variare con continuità la velocità in uscita dalla trasmissione [2].
Nel normale funzionamento della trasmissione esiste un punto nel quale tutta la potenza viene trasmessa attraverso il ramo meccanico, il cosiddetto Full Mechanical Point (FMP). Pertanto il rendimento della trasmissione nell’intorno di quel punto è molto alto. Tuttavia, il rendimento medio risulta leggermente più basso di quello delle trasmissioni power shift, a causa della doppia conversione di energia nel gruppo idrostatico. Per questo la letteratura ha proposto varie tecniche per ottimizzare questa trasmissione [3, 4]. Infine, la variazione continua della velocità, che di fatto separa la velocità delle ruote da quella del motore, offre la possibilità di gestione del motore alle condizioni di minimo consumo [5, 6].
Le trasmissioni idromeccaniche si presentano secondo configurazioni semplici, cioè con un solo rotismo epicicloidale, e sono le note Input Coupled e Output Coupled [2]; oppure con configurazioni complesse, cioè con due o più epicicloidali [7]. Numerose le realizzazioni commerciali introdotte sul mercato, fra le quali si citano:
– Fendt Vario (1996) OC con due marce;
– Dana-Rexroth HVT R2 (2012) – IC con partenza idrostatica e 2 marce;
– ZF Eccom (2001), Steyr Smatic (2001), John Deere Autopower (2001), CNH (2008, Autocommand), tutte riconducibili alla tipologia complessa con 4 marce.
La configurazione complessa presenta generalmente un rendimento migliore, in virtù dei due o più FMP e delle minori perdite delle due macchine idrauliche, ora più piccole. Per contro la trasmissione complessa è più costosa, poiché ha più componenti e un sistema di controllo più sofisticato.
Restringendo il range di interesse al solo rendimento, ci si interroga sulle differenze sostanziali tra una trasmissione semplice e una complessa. Non è facile trovare una risposta a livello sperimentale o industriale, dato che sarebbe necessario costruire le due trasmissioni e provarle su uno stesso veicolo. Più facile trovare la risposta per mezzo della simulazione. Affinché questo metodo fornisca esiti affidabili sono necessarie due condizioni: una modellizzazione precisa delle perdite dei vari componenti, specialmente delle macchine idrauliche, e l’applicazione di cicli di lavoro reali.
L’obiettivo di questo lavoro è la risposta alla domanda precedente. Per questo sono state dapprima dimensionate due trasmissione idromeccaniche, una IC semplice (IC) e una IC dual stage (ICds), pensate per un autobus della classe 12 m. Le due trasmissioni sono state poi modellizzate secondo il codice Amesim e sottoposte a condizioni di carico simili a quelle reali nel traffico cittadino ed extraurbano.
Le trasmissioni Input Coupled e Input Coupled dual stage IC: schema e funzionamento
Nella trasmissione IC single stage l’accoppiamento dei rami è all’ingresso della trasmissione, le potenze vengono poi ricombinate da un rotismo epicicloidale. Tra i 6 layout possibili con l’epicicloidale a tre porte, quello rappresentato in Figura 1 è il più efficiente, come dimostrato in [4]. Lo stazionamento del veicolo avviene in recirculating mode (Figura 2): la potenza del motore termico viene ricircolata e dissipata attraverso il gruppo idrostatico; il primario (V1) funge da motore e il secondario (V2) da pompa, entrambe alla massima cilindrata. Alla partenza il primario viene gradualmente chiuso, frenando il secondario connesso al ring; la coppia viene quindi trasferita al carrier e alle ruote.
All’aumentare della velocità del veicolo, il primario continua a ridurre la cilindrata e il ring rallenta, fino a raggiungere la velocità di FMP, punto nel quale il primario ha cilindrata nulla e il ring è fermo; non si ha quindi potenza trasferita attraverso il ramo idraulico. La massima efficienza della trasmissione è in questo intorno. Superato il FMP si inverte il primario, che ora funziona da pompa, aumentandone progressivamente la cilindrata. La trasmissione funziona in additive mode: le potenze dei due rami sono sommate dall’epicicloidale. Una volta raggiunta la completa apertura del primario è possibile ottenere un ulteriore aumento della velocità parzializzando il secondario.
IC: dimensionamento
Il dimensionamento della trasmissione IC single stage segue l’approccio proposto nello studio di Carl et al. [7]. Noti i valori di velocità massima del veicolo, potenza e giri del motore, raggio della ruota e rapporto al ponte, il dimensionamento procede come segue:
• si sceglie la velocità del veicolo in corrispondenza della quale si verifica il FMP, νFMP, imponendo- la uguale o vicina alla velocità di uso più frequente
• il rapporto dell’epicicloidale ordinario i0 viene calcolato al FMP, perché qui il ring è fermo e il sun ruota alla velocità di rotazione del motore a combustione
• i rapporti i1 e i2 vengono calcolati in base alle velocità massime delle macchine idrauliche; i1 dipende dalla velocità del motore a combustione e i2 dalla velocità massima di progetto del veicolo
• la cilindrata V2 è determinata dalla coppia massima necessaria alla partenza e la pressione massima consentita dal sistema idraulico
• La cilindrata V1 si ricava dal bilanciamento della portata a veicolo fermo
La scelta delle macchine idrauliche viene fatta da catalogo mediante un processo iterativo.
ICds: schema e funzionamento
La trasmissione IC dual stage (Figura 3) si differenzia dalla single stage per via del particolare rotismo epicicloidale, con due possibili alberi di uscita: il carrier C e il sun S2.
A una precisa velocità di cambio νshift le frizioni permettono di cambiare output (Figura 4). Al di sotto della νshift il carrier C è connesso alle ruote e la trasmissione funziona in maniera identica alla IC tradizionale (fasi 1-2-3). Raggiunta νshift tutte le componenti del rotismo ruotano alla stessa velocità, questo permette di effettuare il cambio in maniera sincrona e fluida, sganciando C e connettendo il sun S2. A questo punto la trasmissione torna in recirculating mode e la cilindrata del primario viene nuovamente parzializzata, mentre il ring rallenta fino a fermarsi, si ha così un secondo FMP. È possibile aumentare ancora la velocità del veicolo invertendo la cilindrata del primario e procedendo in additive mode. Questa configurazione permette di utilizzare unità idrauliche più compatte ed efficienti e di farle operare più spesso nel campo di maggiore rendimento. Inoltre, grazie alla presenza di due FMP, la quota di potenza trasferita attraverso il più efficiente ramo meccanico è maggiore [7].
ICds: dimensionamento
Per il dimensionamento si è seguito in parte quanto è suggerito in [7]. I rapporti di trasmissione sono determinati dalle velocità di transizione, cioè νFMP1, νshift, νFMP2.
• Il rapporto al differenziale id è determinato dalla velocità di cambio, infatti a νshift tutti i componenti del rotismo sono alla stessa velocità
• Il rapporto della prima configurazione epicicloidale i01 si ricava alla prima velocità di FMP
• Il rapporto della seconda configurazione epicicloidale i02 in base alla seconda velocità di FMP
• I rapporti i1 e i2 in base alle velocità massime delle macchine idrauliche
• La cilindrata V2 è determinata dalla coppia massima alle ruote. Occorre però notare che la coppia massima può essere richiesta alla partenza o anche al momento del cambio di velocità
• Cilindrata V1 si ricava dal bilanciamento della portata alla partenza
Secondo quanto suggerito da Kumar et al. [6], ponendo νFMP1 metà di νshift è possibile avere un rapporto i01 unitario e la stessa cilindrata per le due macchine idrauliche. Inoltre il cambio di velocità avviene nel momento in cui il primario raggiunge la completa apertura, prima di iniziare a parzializzare il secondario. Questo permette di mantenere sempre il secondario a cilindrata costante e coprire tutto il range di velocità parzializzando solamente l’unità primaria. Tali procedure di dimensionamento sono state ottenute ipotizzando un regime fisso del motore. È possibile facilmente estendere tale trattazione a un regime variabile sostituendo alla velocità del veicolo il rapporto di trasmissione.
