Componentistica

    Cinematica del Giunto Cardanico (o di Cardano)

    Articolo a cura di Pasquale Praticao.

    “…di necessità, virtù.” Nascono così, probabilmente, molte delle scoperte destinate a rivoluzionare il concetto di “comodità”.

    Uno degli ambiti sicuramente che più si presta a tale ideale, è sicuramente quello dell’Ingegneria, che nel corso dei Millenni, ha visto susseguirsi migliaia di idee di menti geniali che oggi, tutti noi, ringraziamo. Ciò di cui parleremo oggi, è uno di quegli strumenti, nati un pò per capriccio, un pò per difesa: Il Giunto di Cardano, la cui storia ed applicazione si perde nella notte dei tempi; cambiato, adattato, modificato, migliorato.

    Origine del giunto di Cardano:

    In ingegneria, il giunto di Cardano è un quadrilatero articolato spaziale, che permette di trasmettere il moto tra due assi in rotazione , i cui prolungamenti sono incidenti in un punto. A tutti gli effetti, è un organo di trasmissione. Facciamo un pò di storia (perchè statene certi, la merita):

    cardano
    wikipedia.org

    l’invenzione di questo tipo di giunto risale al III secolo a.C. ad opera di Filone di Bisanzio, per permettere agli schiavi all’interno delle navi greche, di poter remare con più “facilità” (ammettendo che questo, fosse uno sforzo da nulla).

    Successivamente nel IV secolo a.C. venne adattato per puntare l’arma nelle catapulte, fino al 1545, anno in cui, il matematico italiano Gerolamo Cardano lo riscoprì, ispirandosi ad una bussola per la navigazione marittima, fissata su due cerchi articolati.

    La domanda a questo punto sorge spontanea…perchè, data la storia, è uno strumento che non è mai andato dimenticato, anzi ripreso in più battute negli utilizzi più disparati?
    La risposta, anche in questo caso, è la più “banale”: Semplicità costruttiva.
    Ed è proprio nella semplicità, che l’ingegno propone il meglio di sè.

    cardano
    meccanicaweb.it

    Tecnicamente:

    Il giunto è costituito (oltre che dagli assi tra cui si trasmette il moto, i quali non fanno parte propriamente del giunto) da due coppie rotoidali disposte su uno stesso piegato a 90°, ognuna su un lato, collegate ad un asse.
    L’elemento centrale, spesso a forma di croce, è detto Crociera.
    In figura possiamo trovare uno schema costruttivo del dispositivo, composto dai due alberi a (movente) e a’ (cedente), alle cui estremità sono applicate delle forcelle.

    Al centro, una crociera che si interpone fra gli stessi tramite due cerniere aventi assi ortogonali e concorrenti nel punto di incidenza tra gli assi degli alberi.

    Il rapporto di trasmissione istantaneo, cioè il rapporto delle velocità angolari dell’albero motore e dell’albero condotto, è dato dalla formula:

    cardano rapporto trasmissione
    Cardano, rapporto trasmissione
    • ω2 e ω1 rispettive velocità angolari dell’albero 2 e dell’albero 1;
    • α l’angolo di disallineamento dell’asse dell’albero condotto rispetto all’asse dell’albero motore (supplementare dell’angolo compreso tra gli assi dei due alberi);
    • θ è l’angolo descritto dal lato del membro collegato all’albero 1 durante la rotazione dello stesso albero.

    Il giunto cardanico non è omocinetico, ossia la velocità angolare istantanea dell’albero condotto non è costante durante una rotazione completa ma, è funzione dell’angolo θ.

    Sono uguali le velocità di rotazione medie dei due alberi. Questo causa l’evidente inconveniente di una trasmissione non fluida che nel caso di alti regimi di giri può comportare problemi legati ad esempio alle vibrazioni.

    Troviamo riscontro sull’andamento delle velocità, in figura, dove è espressa la velocità relativa dell’albero condotto rispetto a quello motore in funzione dell’angolo tra i due alberi.

    cardano
    Wikipedia.org

    Concludendo…

    Probabilmente, è molto più complesso cercare di spiegarne il cinematismo, piuttosto che vedere con i propri occhi, l’efficacia e la bellezza meccanica di questo prodotto che di anni ne possiede tanti, e di padri…altrettanti.

    In breve, supponiamo che l’organo di cui si è discusso, sia stato pensato e progettato dal fondatore, per tenere fede a ciò che è l’obiettivo dell’ingegneria, che con un minimo di sensibilità e “passione” possiamo semplificare in un singolo, e più che mai semplicissimo aforisma:

    “Quando vuoi lavarti, prepara prima un panno per asciugarti.”

    [G. Cardano]

    …caro Gerolamo, siamo assolutamente d’accordo.

     

     

     

    ohlins absorber gas

    Ammortizzatore Monotubo a gas e panoramica generale

    Articolo a cura di Edoardo Frattini.
    Per sospensione di un veicolo si intende l’insieme della componentistica che collega le ruote, e quanto ad esse connesso, al telaio. Se una vettura fosse sprovvista di sospensioni, subirebbe sollecitazioni elevate dalle asperità e irregolarità del terreno su cui si muove. Il comfort di marcia sarebbe inesistente, annullando la tenuta di strada e cioè la capacità di seguire la traiettoria impostata dal conducente.

    Le sospensioni assorbono dunque le irregolarità del terreno e, oltre ad isolare l’abitacolo dalle sollecitazioni trasmesse dalle ruote, fanno si che queste ultime rimangano sempre appoggiate al suolo.

    Ammortizzatore monotubo a gas:

    Absorber gas
    Monotubo a gas (Tecnica dell’automobile, A.A.V.V.)

    Una particolare configurazione del sistema sospensivo, che ritroviamo principalmente in ambito sportivo o comunque alto-prestazionale, è l’ ammortizzatore monotubo a gas e la naturale estensione bitubo . Andiamo ora ad indagarne il principio di funzionamento.

    Questo tipo di ammortizzatore a doppio effetto è costituito da un corpo cilindrico (10), realizzato da un solo tubo, all’interno del quale uno stantuffo (2), dotato di fori calibrati (5) e valvole che regolano il passaggio dell’olio (8 e 9), divide il corpo cilindrico nella camera superiore e nella camera inferiore. All’interno del corpo cilindrico, nella parte opposta dello stelo, è collocato uno stantuffo mobile separatore (6), che separa l’ambiente contenente olio dall’ambiente contenete gas in pressione (3), usualmente azoto a pressioni tra i 20 e i 30 bar.
    6

    ohlins absorber gas
    drifted.com

    Durante la corsa di compressione lo stantuffo viene frenato per effetto della resistenza incontrata dall’olio nel passare dalla camera superiore a quella inferiore. L’olio è spinto a laminare nelle valvole calibrate, e talvolta regolabili in funzione del layout dei costruttori più audaci.
    L’olio penetra nei fori dello stantuffo (5) e apre le valvole di compressione (9). Per via della presenza dello stelo, il volume spazzato dallo stantuffo nella camera superiore è maggiore del volume messo a disposizione nella camera inferiore; dunque una parte dell’olio spinge verso l’alto il pistone separatore compensando in tal modo la differenza dei volumi, con conseguente compressione del cuscino di gas.

    Fase di salita- estensione?

    Nella fase di estensione l’olio passa dalla camera inferiore a quella superiore e, analogamente alla fase di compressione, lo stantuffo è frenato nella sua corsa verso il basso dalla resistenza incontrata dall’olio nell’attraversare i fori e nell’aprire le valvole di estensione (8).
    È importante sottolineare che le due corse, in funzione del tipo di applicazione, potrebbero avere velocità diverse. Il tutto al fine di soddisfare criteri prestazionali talvolta complementari, quali per l’appunto comfort e sportività.

    Tale calibrazione viene fatta modulando la sezione di passaggio delle valvole ed il precarico ad esse associato.

    Servofreno

    Il servofreno: come amplificare l’azionante frenante

    Articolo a cura di Edoardo Frattini

    Il servofreno serve per amplificare la forza agente sul pedale del freno. Può essere posto, a seconda dello schema progettuale, prima della pompa idraulica, oppure dopo di questa. La sua presenza si traduce in un maggior comfort e minore sforzo da parte del guidatore associati ad una frenata più efficace.

    Funzionamento del Servofreno

    Il funzionamento del servofreno è legato alla differenza di pressione, che si viene ad instaurare al suo interno. Questo dispositivo è in grado di aumentare di almeno quattro volte la forza frenante impressa dal guidatore sul pedale del freno instaurando quella che comunemente viene anche detta “leva idraulica”.

    È costituito da una capsula pneumatica divisa in due camere e da un pistone di lavoro su cui è fissata una membrana elastica. Una della due camere è a pressione variabile e l’altra a pressione costante. Sul pistone di lavoro sono presenti dei fori che mettono in comunicazione le due camere quando il servofreno è a riposo.

    La camera a pressione costante è collegata, tramite innesto dotato di valvola di non ritorno, ad uno dei collettori di aspirazione del motore, nel caso esso sia ad accensione comandata. Invece è collegato ad una pompa a depressione nel caso questo sia un motore ad accensione spontanea.
    Questa si trova a pressione inferiore rispetto a quella atmosferica, mentre la camera a pressione variabile è separata dall’ambiente esterno mediante una valvola di controllo della pressione atmosferica. Valvola di controllo a sua volta dotata di una valvola di comando e di un pistoncino, tenuti in contatto da una molla.
    Quando il motore è acceso e il servofreno è a riposo le due camere risultano essere in depressione ed in comunicazione fra loro, il diaframma che è l’elemento di separazione risulta non deformato e sulle facce del pistone di lavoro agisce la stessa pressione.

    Servofreno
    PH: Tecnica dell’automobile, AA. VV. – Servofreno a depressione nella posizione di riposo.

    Cosa succede agendo sul freno?

    Azionando il pedale del freno, l’asta di comando viene spinta in avanti. L’avanzamento dell’asta ha due effetti: il pistoncino della valvola va a premere il disco di reazione e si apre la valvola dell’aria esterna. Se il pedale viene azionato parzialmente, si crea uno squilibrio di pressione fra camera a depressione e camera di lavoro, che va ad agire sul pistone, il quale viene spinto in avanti insieme al puntalino, finché la forza di reazione della pompa non raggiunge la stessa intensità evitando un comportamento di tipo on/off.

    Fermatosi il puntalino, il disco di reazione si espande, spingendo sul pistoncino della valvola e si chiude la valvola dell’aria esterna. La forza agente sul puntalino e sul pistone di lavoro rimane costante fino al rilascio del pedale. L’elemento principale è rappresentato dal cilindro, che è diviso dal pistone di lavoro in due corpi.

    In condizioni di riposo, come nella figura precedente, la depressione viene trasmessa attraverso il collegamento di depressione nel corpo di sinistra. Da qui, attraverso il condotto nella camera di lavoro, che è collegato con la pressione esterna e la valvola a depressione, anche nel corpo di destra. Pertanto il pistone di lavoro, sulle cui facce non insiste differenza di pressione, è spinto dalla molla di richiamo verso destra.

    Quando si agisce sul pedale del freno, un sistema di leveraggi fa spostare l’asta di comando verso sinistra determinando prima la chiusura della valvola e poi l’entrata dell’aria esterna nel corpo di destra attraverso la valvola dell’aria stessa.
    Lo stantuffo è così soggetto ad una differenza di pressione che incrementa la forza di spostamento verso sinistra e spinge lo stantuffo della Pompa tandem inviando liquido in pressione ai due circuiti, cioè alle ruote.

    Come termina l’azione frenante ?

    Se si mantiene costante l’azione sul pedale del freno, la reazione dello stantuffo idraulico determina lo schiacciamento della valvola a disco elastico. Conseguentemente la chiusura della valvola dell’aria proveniente dall’esterno. In questo modo lo stantuffo si stabilizza in una posizione intermedia. Risultano così chiusi sia il collegamento con il condotto in depressione sia il foro di passaggio dell’aria a pressione atmosferica.

    Infine, quando cessa l’azione sul pedale, lo stantuffo si sposta verso destra sotto l’azione della molla. Determinando prima la chiusura della valvola dell’aria esterna e poi l’apertura del condotto in depressione.

    Pompa Tandem: Caratteristiche e funzionamento

    Articolo a cura di Edoardo Frattini.

    La normativa cogente in materia di sicurezza del veicolo, è la direttiva CEE 489/79 del 18 Aprile 1979. Quest’ultima sancisce, per ogni schema utilizzato nella realizzazione dell’impianto frenante, le norme e le specifiche tecniche a cui attenersi per garantire la sicurezza degli utilizzatori del veicolo e di terzi. A tal fine vengono utilizzati due circuiti frenanti indipendenti. Per l’alimentazione simultanea e ripartita di suddetti impianti viene utilizzata una pompa volumetrica cilindrica dotata di due stantuffi, detta Pompa tandem.

    Per attenersi a suddetti standard di sicurezza, vengono utilizzati due circuiti frenanti indipendenti al fine di fronteggiare possibili situazioni di avaria dell’impianto stesso.

    Caratteristiche meccaniche:

    La pompa è composta da un corpo, nel quale sono presenti due stantuffi disposti in serie. Entrambi i pistoni hanno alle loro estremità una guarnizione primaria ed una guarnizione secondaria, così da creare due camere circolari ermetiche, alimentate ciascuna dal proprio foro di alimentazione.

    Pompa Tandem
    Pompa Tandem. Tecnica dell’automobile, AA. VV.

    Sul pistone secondario è presente un intaglio longitudinale, in cui scorre un perno di arresto disposto ortogonalmente all’asse del pistone, solidale al corpo della pompa.

    Il pistone secondario è dotato, inoltre, di un foro nella parte anteriore, in cui è alloggiata una valvola con la funzione di foro di compensazione. Nella posizione di riposo gli stantuffi sono mantenuti in battuta da apposite molle di contrasto, il foro di compensazione è libero di scorrere ed il perno di arresto fa sì che la valvola centrale rimanga aperta quando quest’ultima impatta sul perno di arresto, fungendo da foro di compensazione e permettendo il refill di olio nella camera secondaria.

    Tutto il cilindro della pompa è collegato con il serbatoio, si può così compensare il volume del liquido freni, in caso ad esempio di variazione della temperatura del fluido o normale usura delle guarnizioni di attrito.

    Azionando il pedale del freno, a cui è collegata l’asta di comando si va ad insistere direttamente sul pistone primario, facendolo traslare in avanti. Questo spostamento fa in modo che la guarnizione primaria del pistone primario chiude il foro di compensazione interrompendo la comunicazione con il serbatoio e facendo aumentare la pressione nel primo circuito. La pressione instauratasi nella prima camera di lavoro farà spostare il pistone secondario. La valvola centrale non sarà più in battuta sul perno di arresto e chiuderà il foro di compensazione del pistone secondario. Ciò farà aumentare la pressione anche nel secondo circuito.

    Nel rilascio del pedale?

    Rilasciando il pedale del freno le molle di richiamo e la pressione del fluido agente sulla superficie anulare dei pistoni, riportano gli stantuffi nella posizione di riposo.

    Contemporaneamente le guarnizioni si staccano dalla battuta, facendo passare il fluido dal circuito frenante alle camere in pressione, che stanno aumentando di volume. Il pistone secondario si riappoggia sul perno di arresto e la valvola centrale si riapre.
    La pressione scende rapidamente in entrambe le camere ed i freni ritornano nella loro posizione di riposo allentandosi.

    Cambio a 9 rapporti e 7 frizioni (+1) e 1600 CV? Koenigsegg può (ANALISI TECNICA)

    Parliamo del nuovo cambio automatico LST Koenigsegg (light speed trassmission) a 9 rapporti e ben 7 frizioni. La cambiata è inutile dirlo è fulminea, gli attuatori e sensori di bordo studiano istantaneamente il rapporto di velocità ottimale per consumi, erogazione potenza, linearità del cambio al dato punto di funzionamento della curva coppia-velocità rotazione dell’albero: il tutto in funzione del carico richiesto.

    Farò una trattazione più semplice di un cambio a doppia frizione a quattro rapporti + retro, per poter introdurre la complessità di un cambio a ben 7 frizioni attuate e 9 rapporti. Il modello semplificativo non trascura le complessità del modello reale in questione, lo rende solo più intuitivo da capire.

    Cambio a doppia frizione:

    cambio a doppia frizione
    schema semplificato di un cambio a doppia frizione

    Abbiamo due alberi primari e un albero secondario: il primo primario è in giallo, il secondo primario è in rosso.

    Il primario giallo è un albero connesso alla frizione standard (quella ad azionamento a pedale classica nel caso di cambio di velocità manuale).
    Il primario rosso invece è collegato alla frizione secondaria elettroidraulica attuata e comandata dal gruppo pompa-valvole di controllo che a sua volta elabora il segnale ricevuto dalla centralina, o meglio dire l’informazione ricevuta.
    Le marce sono calettate in modo alterno sui due alberi primari e i sincronizzatori di velocità per l’innesto della stessa sono calettati sull’albero secondario.

    Non è una scelta ottimale, l’ideale sarebbe ovviamente avere tutte le ruote folli sul primario con tanto di sincronizzatori, che dovranno sincronizzare meno masse rotanti e quindi inerzie (ottimale da un punto di vista del rendimento del cambio, che lavora su valori che oscillano generalmente tra i 0.9 e 0.95).

    Per ragioni costruttive qui li ritroviamo sul secondario.

    Come funziona quindi?

    Se sono in 1°marcia, cioè ruoto l’albero giallo, per passare in 2°marcia dovrò disinserire la frizione standard, nello stesso istante si aziona la frizione secondaria (a sinistra). La particolarità è proprio qui. L’albero rosso è disinserito e non trasferisce potenza, quindi ho tutto il tempo di portare il sincronizzatore (in figura chiamato con attuatore tra 4 e 2 marcia) a innestare la seconda marcia senza che vi sia necessità di sincronizzare il rapporto con un eccessivo lavoro di sincronizzazione mediante frizione conica (cioè elemento di attrito interno all’anello del sincronizzatore).

    In questo modo, non appena premo la frizione e passo dalla 1° alla 2°, sto disinserendo la frizione standard, innestando quella aggiuntiva che avendo già la 2° ingranata, dovrà solo trasferire il moto all’albero secondario (quello che aziona il differenziale) mediante l’albero primario aggiuntivo, cioè il rosso. Il tutto senza lag nella risposta, senza cali di potenza e con una cambiata rapida fluida.
    Il cambio funziona con questo continuo palleggiamento tra due frizioni e due alberi primari che trasmettono potenza. Il flusso di potenza cambia continuamente.

    cambio koenigsegg
    apex.one

    Inutile dire che avendo a disposizione nel nostro caso 7 frizioni, il palleggiamento è al millesimo di secondo. Il cambio passa da un rapporto a 4 rapporti di velocità inferiori in meno 80 millisecondi.

    Non solo è quello più efficiente sul mercato, è anche il più leggero e compatto: parliamo di soli 90 kg compresi fluido azionamento frizioni, pompa,frizioni e volano. Chiaramente pensare di fare un’analisi tecnica senza alcun disegno costruttivo o semplificato è impensabile, parliamo di un discorso 3 volte più complesso da intuire del modello meccanico da me introdotto sopra. Pur non essendo online ancora alcun disegno costruttivo, il concetto è analogo, parliamo tuttavia di tre gruppi di rapporti, ciascuno su tre alberi primari.

    Ultime curiosità:

    • Il cambio è gestibile manualmente con leva nel tunnel o dai paddles per un’esperienza di guida coinvolgente al massimo. In alternativa c’è l’automatico.

    • Nel titolo si parla di 7 frizioni +1, esattamente. C’è una singola frizione che gestisce il differenziale autobloccante elettronicamente in varie modalità.

    • Per ciascuna frizione c’è un attuatore elettroidraulico e un sensore di pressione.

    • C’è la modalità UPOD (Ultimate power on Demand): permette l’inserimento diretto della marcia più idonea alla marcia (full electronic).

    • C’è un misuratore di forza G (laterale) posto sulla plancia della Jesko.

    force G meter
    apex.one

    Chissà qual è il valore del rendimento di questo cambio. Supererà i 0.95?

    Per scoprire altre, non trascurabili, motivazioni per cui questo intero powertrain può essere considerato unico nel suo genere: clicca qui.


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