Pag. 1

STUDIO E

SPERIMENTAZIONE

DEL K.E.R.S.

CANDIDATO

ALPI ALESSIO

Pag. 2

ANNO SCOLASTICO 09/10

INDICE

Generalità Pag.3

Kers meccanico. Schema e funzionamento Pag.3

Kers elettrico. Schema e funzionamento Pag.5

Motore elettrico sincrono Pag.6

Calcolo del rapporto di trasmissione Pag.7

Esempio di dimensionamento volano Pag.9

Scelta del materiale tramite Ashby Pag.10

Sperimentazione Pag.12

Realizzazione Pag.15

Generalità in lingua inglese Pag.16

Pag. 3

GENERALITÀ

KERS è l’acronimo di Kinetic Energy Recovering Sistem ovvero sistema di recupero

dell’energia cinetica. Come sappiamo dalle nozioni di dinamica ogni corpo in movimento

ha una energia, nel corso di una forte decelerazione una parte di energia viene persa at-

traverso l’uso dei freni sotto forma di calore. Il KERS ha lo scopo di recuperare questa

quantità di energia, immagazzinarla e poi cederla sotto forma di un surplus di potenza da

utilizzare all’occorrenza. Questo dispositivo è stato utilizzato nell’ultimo campionato di for-

mula1 e su vetture da competizione con il nome di sistema hybrid (un prototipo Toyota do-

tato di sistema hybrid ha vinto la 24 ore di tokachi), recentemente la Ferrari, una dei mag-

giori promotori del kers, ha equipaggiato la sua ultima creazione del congegno. Le scuole

di pensiero per la realizzazione del KERS sono due:

Meccanico

Elettrico

K.E.R.S. MECCANICO. SCHEMA DI FUZIONAMENTO

Il kers meccanico utilizza una massa rotante (volano) per immagazzinare e rilasciare l’energia. Un sistema kers meccanico degno di nota è il Flybrid Torotrak, realizzato da un pool di a-ziende inglesi (Flybrid per il volano, Torotrak per il variatore continuo e Xtrac per la tra-smissione), il sistema utilizza la tecnologia CVT che agisce solo sull’ingranaggio primario del cambio e non su tutti i rapporti. L’energia prodotta dalla monoposto in fase di frenata viene conservata e convertita grazie ad un sistema di ingranaggi e pulegge che lavorano sul blocco cambio-variatore-volano.

Engine = Motore Cluster = Serie di rapporti (cambio)

Clutch = Frizione Bevel gear = coppie coniche

Flywheel = Volano Fixed ratio = Rapporto fisso

Pag. 4

Il volano, brevettato e prodotto con tecnologia flybrid,

è composto da fibre di carbonio avvolte attorno a una

struttura in acciaio per un peso complessivo di appe-

na 5 Kg, inoltre, nonostante le ridotte dimensioni è in

grado di ruotare a velocità anche superiori a 60000

giri al minuto. L’uso di un volano per recuperare e-

nergia è già stato utilizzato su mezzi come autobus e

tram ma in questi casi i volani erano molto pesanti e

ingombranti.

Nel sistema proposto il volano è collegato, tramite

frizione, al CVT (trasmissione a variazione continua)

che è il punto cardine di tutto il sistema.

Per la realizzazione del CVT la Torotrak ha progettato un dispositivo in grado di modificare

il rapporto di trasmissione nell’arco di una sola rivoluzione compiuta.

Il variatore torotrak è composto da due dischi di input e un disco di output con forma toroidale interna. Tra i tre dischi sono interposti dei rulli, 3 o 4 a seconda della necessità, che hanno il compito di trasmettere il moto tra i dischi di ingresso, solidali per mezzo di un rapporto fisso agente sul cambio, e il disco di uscita. Così collegato il disco di uscita ruoterà in direzione opposta rispetto ai dischi d’ingresso. I rulli hanno la possibilità di modificare il proprio angolo di contatto, così che se di-sposti in modo da accelerare il disco in-terno ci si troverà in fase di recupero, vi-ceversa se rallentano il disco centrale si è in fase di rilascio dell’energia. Il trasferimento vero e proprio è però affi-dato a un sottilissimo film di liquido di tra-zione studiato appositamente, è posto in pressione su tutti i punti di contatto ed ha la fun-zione opposta di quella di un qualsiasi lubrificante, infatti, deve mantenere “incollati” i di-schi e i rulli in modo da favorire la trasmissione della maggior quantità possibile di energia cinetica.

Pag. 5

K.E.R.S. ELETTRICO. SCHEMA DI FUZIONAMENTO Il kers elettrico rispetto a quello meccanico ha uno schema molto più semplice, adatto per i prototipi stradali, mentre per quanto riguarda la gestione e la logistica pesi ,nel settore del-le competizione, risulta molto più complesso. Il sistema è composto da un motore-alternatore collegato a una serie di pile. In fase di franata il motore funge da alternatore trasformando l’energia meccanica prodotta in energia elettrica, successivamente convertita in energia chimica con la quale vengono caricate delle batterie al litio. Viceversa al momento dell’accelerazione il procedimento sa-rà inverso, le pile,caricate precedentemente, alimentano il motore elettrico che interviene in aiuto del propulsore termico e fornire così un surplus di potenza. Se pur è una decina di chili più pesante di quello meccanico è modulabile, ciò significa che consente una serie di installazioni differenti a seconda delle necessità. Una prima soluzione è costituita dal motore elettrico installato all’interno del cambio e collega-to direttamente con la coppia conica e le batterie ancorate al fondo e poste a lato del propul-sore termico.

In alternativa è possibile disporre il

motore elettrico a monte dell’unità

termica e di conseguenza anche

le batterie che saranno sul fondo e

avranno inoltre funzione di zavor-

ra.

Nel caso di una disposizione come

quella appena descritta occorre

però ridisegnare la scocca e ridur-

re il serbatoio posto sopra al mo-

dulo elettrico.

Riassumendo il kers elettrico presenta notevoli svantaggi rispetto a quello meccanico quali

un peso maggiore di una decina di chili, ha un processo di conversione dell’energia molto

più complesso, risulta pericolo per l’incolumità di piloti e meccanici in quanto accumula e-

lettricità statica nella carrozzeria e ultimo ma di maggior rilievo è in grado di recuperare so-

lo il 40% dell’energia contro il 70% della soluzione meccanica, nonostante ciò è stata la

scelta effettuata da tutti i team.

Pag. 6

MOTORE ELETTRICO SINCRONO Il motore elettrico adatto da applicare al sistema kers è il motore sincrono. Esso appartiene alla famiglia dei motori alimentati in corrente alternata, è costituito da uno statore in cui sono presenti gli avvolgimenti del circuito di alimentazione e un rotore che può essere di tre tipi differenti:

a magneti permanenti costituiti da ferrite;

a poli salienti avvolti costituiti da nuclei di ferro eccitati da bobine alimentate in corren-te continua;

scanalato cioè con scanalature simili a quelle dello statore in cui sono posti gli avvol-gimenti eccitati in corrente continua.

Il motore sincrono ha una doppia funzionalità:

generatore, anche detto alternatore, in cui il rotore produce un campo magnetico co-stante che a causa della rotazione induce nel circuito di statore una forza elettromotri-ce (f.e.m.) sinusoidale, la corrente così prodotta può essere, nel nostro caso, imma-gazzinata in delle batterie.

motore, per mezzo di un inverter il dispositivo cambia funzionamento, il campo magne-tico statorico, prodotto dalla corrente precedentemente accumulata, si concatena con il campo magnetico del rotore e il quale avrà la stessa velocità angolare del campo magnetico dello statore, ossia ruotano in sincronia.

Il generatore sincrono presenta però un grave handicap, non è un motore autoavviante. Ciò è dovuto a causa dell’inerzia del rotore, il campo magnetico dello statore non riesce a trascinarsi il rotore che, se pur con un campo magnetico proprio, non si sincronizza con lo statore a causa della forza di inerzia dovuta alla massa del rotore. Per risolvere il proble-ma si possono adottare diverse soluzioni: -si può realizzare alle estremità del rotore la gabbia di scoiattolo, avviandosi quindi come un motore asincrono è poi in grado di agganciare il campo magnetico statorico in prossimi-tà della velocità di sincronismo; -trascinare il rotore mediante un motore ausiliare di lancio di piccola potenza il quale per mezzo di un giunto si scollega una vota raggiunto il sincronismo; -si può alimentare lo statore con tensione a frequenza ridotta e per mezzo di un convertito-re portarla da pochi hertz fino alla frequenza desiderata, in tal modo il rotore è accompa-gnato dolcemente ed è in grado così di raggiungere qualsiasi velocità.

Pag. 7

CALCOLO DEL RAPPORTO DI TRASMISSIONE l torotrak, come spiegato in precedenza, è uno dei punti di forza del kers. Cerchiamo di capire meglio come varia il rapporto di trasmissione. I dischi di frizione li possiamo trovare in tre posizioni fondamentali:

i cilindri sono perfettamente perpendicolari ai dischi di ingresso e uscita Così disposti il rapporto di trasmissione sarà pari a 1

i cilindri si dispongono a “O” Con questa sistemazione il disco centrale ruota con un rapporto di trasmissione <1

i cilindri si dispongono a “X”

In tal modo il disco di output ruota con un rapporto di trasmissione >1

Per calcolare il rapporto di trasmissione è necessario capire come viene trasmesso il mo-to. I cilindri intermedi sono in contatto con entrambi i dischi principali per cui, perché non ci sia slittamento, la velocità periferica nei punti di contatto deve essere uguale ed essendo il cilindro intermedio ozioso la velocità periferica del cilindro stesso si può trascurare perciò:

v= ω⋅ r

quindi il rapporto di trasmissione è possibile trovarlo mettendo in relazione le velocità an-golari, o i numeri di giri, o i raggi di contatto:

Pag. 8

Nel caso del rapporto <1 ipotizzando un numero di giri in ingresso pari a n = 60rpm un raggio di contatto del primo disco pari a 18 mm e del secondo disco pari a 44 mm e possi-bile calcolare il rapporto iniziando dalla velocità angolare del primo disco: Ora siamo in grado di calcolare la velocità periferica del primo disco che, come posto in precedenza, sarà uguale a quella del secondo disco: E dalla formula inversa della velocità periferica si ricava la velocità angolare del secondo disco: In ugual modo dalla formula inversa della velocità angolare si può calcolare il numero di giri del secondo disco: Mettendo in relazione i parametri dei due dischi si riesce a calcolare il rapporto di trasmis-sione, per praticità ho relazionato tra loro i due raggi: Infine è possibile,usando la trigonometria, calcolare l’angolo di inclinazione del cilindro ne-cessario per ottenere suddetto rapporto: L’angolo trovato se positivo determinerà il rapporto appena calcolato, se invece sarà nega-tivo formerà un rapporto >1 che si può calcolare con lo stesso procedimento appena adot-tato per cui:

Pag. 9

Con una velocità periferica di: E un numero di giri in uscita pari a: Basandomi sulle normative FIA per l’utilizzo del kers mi è possibile tentare il dimensiona-mento del volano, non in maniera usuale ma prendendo come punto di partenza l’energia massima che si può recuperare e i dati, riguardanti il volano, forniti dalla casa costruttrice. Partendo dalla definizione di potenza, ossia lavoro (joule) utilizzato nell’unità di tempo, e sapendo che il kers può erogare un’energia fino a 60 Kw per un tempo di 6,67 secondi posso calcolare la quantità di energia che viene recuperata: Il volano utilizzato è in grado di ruotare fino a un numero di giri al minuto pari a 60000, con una velocità periferica di: Dalla formula inversa dell’energia cinetica per un corpo rotante è possibile isolare il mo-mento d’inerzia di massa in cui è contenuta la nostra incognita: Infine, conoscendo la formula inversa del momento d’inerzia di massa, è possibile trovare il raggio che deve avere il volano per poter erogare la potenza massima, ricordando che il volano ha una massa di 5Kg: Un volano con un diametro medio di 180 mm è più che accettabile considerato soprattutto che l’impiego di tale dispositivo appartiene a un settore non convenzionale.

Pag. 10

CARTE DI ASHBY Ashby con le sue carte mise in relazione le più svariate caratteristiche dei materiali che ha suddiviso in sei grandi famiglie, agevolando, in tal modo, la scelta del materiale più idoneo a svolgere determinate funzioni. Un esempio può essere la carta che mette in relazione il modulo di Young e la densità Oppure la resistenza e la densità Nel nostro caso tentiamo di giustifica la scelta del carbonio come materiale di costruzione ponendo come vincoli il raggio medio fissato e la resistenza sufficiente ad evitare fratture, come obiettivo ottenere la massima energia cinetica per unità di massa e come unica va-riabile la scelta del materiale. L’energia cinetica è uguale a: Dove: Sostituendo nella formula precedente si ottiene:

Pag. 11

Ec/m rappresenta il nostro obiettivo. La resistenza necessaria ad evitare fratture equivale a: Equiparando i due parametri si avrà: Nella formula sopra espressa è inserito l’indice di merito: I parametri che compongono tale indice sono le uniche variabili in quanto dipendono dal materiale. L’indice di merito verrà individuato in un diagramma e bolle ed estremizzato per ottenere il materiale migliore.

Fra i pochi materiali inclusi nell’area di ricerca fra i compositi troviamo il carbonio (CFRP). Visto che nel settore in cui è impiegato non si bada a spese il carbonio è il materiale adat-to per la costruzione del volano.

Pag. 12

SPERIMENTAZIONE Ho deciso di provare a realizzare il torotrak. La parte sperimentale è quella in cui ho impiegato più tempo. Usando solidedge ho dise-gnato tutti i particolari in proporzione fra di loro.

Pag. 13

1 Disco di ingresso Input disc

2 Disco di uscita Output disc

3 Gruppo di variazione Variation group

4 Sostegno Support

5 Corona contenimento cilindri Cylinder ring containment

6 Cilindro cylinder

7 Volante Steering wheel

8 Albero Shaft

E successivamente li ho montati

per ottenere come risultato:

Pag. 14

E con la vista in sezione si possono apprezzare anche i particolari interni:

una volta completata la parte di progettazione, tramite qualche disegno bidimensionale, si passa alla fase di realizzazione:

Pag. 15

Pag. 16

La fase di realizzazione, con risultato finale un modellino teoricamente funzionante, aiuta maggiormente a comprendere la complessità di tale dispositivo, in quanto, nonostante la collaborazione di professori abili nella realizzazione di pezzi meccanici e di un’azienda e-sterna specializzata nella lavorazione di materiali innovativi e che collabora con case ae-ronautiche e automobilistiche sportive, il modellino rappresenta solo figurativamente il to-rotrak e non dal punto di vista del cinematismo come ci si sarebbe aspettato.

GENERALITY OF KERS Kers is acronym of Kinetic Energy Recovering System. It’s used mainly in f1 racing and recently Ferrari put it in his last supercar model F599. Kers is a device able to recover en-ergy when there is a brake and when pilot need acceleration keep surplus of energy, help-ing engine. There are two types of kers: mechanical and electric kers. The first one is also called Torotrak-Flybrid system. Flybrid is a factory that produce a fly-wheel, its function is stuck and leave again energy. Torotrak is a factory that produce a variator of velocity. It is the most important part of mechanical kers and is composed about two input discs and one output disc link by a cluch at flywheel. All discs had toroydal shape, like doughnut, between input and output discs there are three or four little discs that changing its angle of contact it change transmission rapport. When output disc speed up there is recover of energy while output disc slow down there is a release of energy. The second is composed by a electric engine link at bevel gear. When there is a brake its work like an alternator that convert mechanic energy in electric energy and, after that, electric energy is converted in chemical energy and stocked in a battery next the energy is suffer at the reverse conversion to feed electric engine that keep surplus of energy.