Funzionamento del Banco Prova con Freno Idraulico
I banchi prova sono strumenti essenziali per testare e valutare le prestazioni di componenti meccanici, come ingranaggi e sistemi di trasmissione. Questi banchi possono essere classificati in base al loro principio di funzionamento in sistemi a ricircolo di potenza e sistemi a dissipazione di potenza.
Sistemi a Ricircolo di Potenza
Nei banchi a ricircolo di potenza, l'energia generata durante il test viene reimmessa nel sistema. Possiamo trovare una seconda trasmissione che riporta la potenza all’albero principale o un generatore di corrente che ritrasforma la potenza meccanica in potenza elettrica per poi alimentare il motore elettrico.
Il Banco Prova di Wilfred Lewis
Tra i banchi a ricircolo di potenza meccanica merita un posto di particolare rilievo quello realizzato negli anni ‘20 da Wilfred Lewis, presso il Massachusetts Institute of Technology. Questa attrezzatura rendeva possibile per la prima volta riprodurre e studiare in modo scientifico sia le condizioni d’ingranamento sia la durata delle dentature. Il ricircolo della potenza si otteneva, per mezzo di una coppia elicoidale ed una barra di torsione, forzando reciprocamente i denti di due ruote che ingranavano con altrettanti pignoni coassiali.
Le prestazioni di velocità e carico tangenziale che potevano essere raggiunte con questo sistema sono di 2000 rpm e 1100 kg circa. Poiché lo scopo principale della ricerca consisteva nello studio del sovraccarico dinamico, furono ideati ingegnosi dispositivi elettromeccanici per rilevare i fenomeni di separazione e ripresa di contatto con urto tra i denti, descritti nel testo “Analytical Mechanics of Gears” di E.
Il Banco a Ricircolo di Potenza Meccanica di Tipo FZG (Four Square)
Il banco a ricircolo di potenza meccanica di tipo FZG, detto Four Square, è stato ideato anch’esso per la prova di ingranaggi, come quello di Lewis, ma spesso è anche usato per la prova del comportamento dei lubrificanti utilizzati nei riduttori. I riduttori sono collegati tramite due alberi di trasmissione sui quali sono calettati i dispositivi di misurazione della coppia e il dispositivo meccanico di applicazione della coppia di precarico. Nel riduttore indicato come test gear sono presenti gli ingranaggi da testare mentre lo slave gear è composto da ingranaggi con larghezza di fascia sovradimensionata con la sola funzione di permettere il ricircolo della potenza. I due riduttori sono connessi da due alberi, uno detto veloce e uno detto lento.
Come si può vedere dall’immagine, l’ingranaggio da testare è solo uno ed è conico, denominato test gear. Calettato sullo stesso asse a chiusura del loop è presente un altro accoppiamento conico di dimensioni maggiori, hypoid test gear, che rimanda il moto al riduttore costituito da ingranaggi a denti diritti, come nella vecchia configurazione.
Questa configurazione è finalizzata allo studio della resistenza a pitting di accoppiamenti vite senza fine. La differenza rispetto al banco precedente è data dalla complessità del sistema infatti, in questo caso è come se si avessero due banchi prova back to back in parallelo.
I ricercatori Gruska e Herrmann partirono dalla soluzione appena vista e svilupparono una configurazione per risolvere il problema della determinazione dell’efficienza della trasmissione da testare. Questi particolari riduttori hanno rapporto di trasmissione uguale tra loro e uguale anche ai due riduttori principali che generano il loop.
Questo banco sviluppato in una prima fase dal ricercatore Musser, si differenzia per il fatto che i rotismi epicicloidali sono stati sostituiti da una particolare trasmissione chiamata “strain wave gearing”.
Flexspline: è un cilindro cavo dotato di scanalature sul profilo esterno per permettere l’ingranamento con la circular spline. Il funzionamento è basato sull’oscillazione del wave generator che generando un moto oscillatorio trascina la flexspline che oscilla solidalmente al generatore e ingrana sulla corona esterna con il dente vicino a quello in cui si verifica il massimo diametro dell’ellisse.
L’utilizzo di questa configurazione offre diversi vantaggi grazie alle eccellenti prestazioni in termini di potenza e alla limitazione delle trasmissioni ausiliarie, ovvero i due riduttori, necessari per generare il loop. Tuttavia, esiste uno svantaggio in quanto, nonostante le perdite introdotte dalla particolare trasmissione siano trascurabili, non è possibile stimare con precisione l’efficienza del riduttore di test. Ciò è dovuto al fatto che i due riduttori ordinari hanno lo stesso rapporto di trasmissione, obbligando il motore elettrico ausiliario a ruotare alla stessa velocità dell’albero a cui è connesso.
I due studiosi hanno sviluppato un banco che, oltre alla configurazione classica back to back, presenta un sistema aggiuntivo composto da due ruote vincolate tra loro e ad un telaio fisso, connesse a un dispositivo di caricamento. Questo sistema aggiunge al banco un notevole incremento di versatilità e prestazioni nei test, tuttavia comporta un notevole dispendio economico.
Il costo elevato di questi attuatori è dovuto alle elevate prestazioni richieste, che richiedono un equilibramento molto preciso, legato a un processo di produzione estremamente accurato. Un altro svantaggio di questa soluzione è legato alle elevate pressioni coinvolte, che possono causare fughe di fluido, riducendo la capacità dell’attuatore di mantenere il carico costante.
Il secondo metodo, sviluppato successivamente al primo, sfrutta un approccio diverso per l’applicazione del carico, utilizzando un attuatore pneumatico che agisce su un accoppiamento composto da ingranaggi elicoidali. La particolarità di questa configurazione risiede nel riduttore Drive Unit, composto da ingranaggi elicoidali, con uno degli alberi connesso all’attuatore pneumatico, il quale esercita una spinta assiale. Questa spinta applicata all’ingranaggio elicoidale induce carichi radiali e tangenziali sull’intero accoppiamento nel Drive Unit, grazie alla conformazione elicoidale delle ruote. Il carico tangenziale, moltiplicato per il raggio primitivo della ruota, genera la coppia con la quale il sistema è messo sotto sforzo.
Tra le due diverse configurazioni utilizzate per lo stesso scopo, viene preferita quella che prevede l’induzione della coppia all’interno del sistema utilizzando ingranaggi elicoidali. L’attuatore pneumatico è collegato alla Drive Unit e, insieme agli ingranaggi elicoidali, serve a fornire la coppia di precarico.
Il banco creato dal progettista Collins rappresenta un’altra soluzione per il ricircolo di potenza meccanica, sfruttando un sistema idraulico per applicare la coppia di test. Questo banco di prova opera seguendo un principio di carico molto simile a quello utilizzato dal Nasa Center, come analizzato in precedenza, nella configurazione con ingranaggi elicoidali. In questo caso, nel loop è stato inserito un albero scanalato con profili elicoidali lungo tutta la sua lunghezza.
Questa soluzione si differenzia dalla precedente per la presenza di una particolare frizione formata da tamburo e disco accoppiati con un albero scanalato con risalti elicoidali. Questa soluzione sfrutta due cilindri idraulici in grado di applicare la coppia di test al banco direttamente agendo sull’ingranaggio del riduttore ordinario connesso al motore.
Nel dettaglio sono presenti due cilindri, disposti opposti l’uno all’altro, che portano in collegamento la flangia montata sull’albero con l’ingranaggio del riduttore.
Il precarico al sistema viene fornito dalla pressione del fluido idraulico introdotto nelle camere del rotore che, ruotando, introduce una coppia torcente all’albero di trasmissione a cui è solidale.
Sistemi a Dissipazione di Potenza
Nei sistemi a dissipazione di potenza invece si utilizzano dei freni dinamometrici; i più comuni sfruttano i fenomeni delle correnti parassite (dette anche correnti di Foucault), dell’isteresi magnetica o un sistema con generatore e reostato.
Freno di Stazionamento Elettromeccanico (EPB)
Il freno di stazionamento elettromeccanico ha il compito di impedire che il veicolo, da fermo, si sposti. I due sistemi usati da BMW e Audi hanno una struttura molto diversa.
Audi A8
Nella Audi A8 l'EPB agisce mediante un motorino elettrico e un albero filettato direttamente sulle pastiglie dei freni dell'assale posteriore. Il meccanismo dei freni di stazionamento è costituito da un motore a corrente continua, un riduttore a ingranaggio oscillante e un albero filettato. I componenti sono montati direttamente sulle pinze dei freni posteriori e permettono di trasformare il movimento di rotazione del motore in piccoli movimenti verticali del pistoncino del freno. Quindi il motore a corrente continua, attraverso una trasmissione a cinghia, mette in moto il riduttore a ingranaggio oscillante. In questa circostanza viene anche ridotto per la prima volta il regime del motore di azionamento. Attraverso il rapporto della trasmissione a cinghia il numero di giri viene ridotto a 1:3. Attraverso il riduttore a ingranaggio oscillante viene ridotto ancora un'altra volta il numero di giri. Sull'uscita del riduttore il numero di giri viene ridotto di un fattore 147 rispetto al numero di giri del motore a corrente continua.
La conversione del movimento di rotazione in movimento di sollevamento avviene tramite un mandrino, che è azionato direttamente dal meccanismo a piatto oscillante. Nel pistoncino del freno vi è un cilindro che si muove avanti e indietro nel pistone. Per impedire al cilindro di ruotare, esso viene rettificato in piano in due punti. Sull'estremità anteriore del cilindro si appoggia un dado che si muove lungo il perno filettato quando l'albero filettato gira. Il numero di giri del motore a corrente continua viene misurato attraverso un sensore Hall e trasmesso alla centralina che in questo modo può calcolare la corsa di sollevamento.
Quando viene azionato il freno di stazionamento, attraverso il movimento di rotazione dell'albero filettato il dado viene spostato in avanti. Il cilindro preme le pastiglie sul disco freno mediante il pistoncino. Se il freno di stazionamento viene rilasciato, il dado viene fatto arretrare facendo ruotare all'indietro l'albero filettato e il pistoncino del freno si allenta. Come in un normale procedimento di frenata, il ripristino della forma dell'anello di tenuta del pistoncino fa sì che quest'ultimo venga riportato nella sua posizione originale.
L'intero sistema comprende inoltre una centralina con sensore di inclinazione integrato, spie di controllo e l'interruttore di azionamento nella console centrale. Per attivare il freno di stazionamento si deve tirare il relativo interruttore, per rilasciare il freno si deve premere l'interruttore. L'attivazione del freno di stazionamento viene indicata attraverso la spia di controllo nel cruscotto e nell'interruttore di azionamento. Una particolarità del freno di stazionamento è che può essere attivato anche a quadro spento. Con veicolo spento e freno di stazionamento attivato, il sistema regola automaticamente la forza di serraggio necessaria per evitare che il veicolo si sposti involontariamente.
Se il veicolo si arresta su un terreno con un dislivello superiore al 30%, lo strumento indicatore invia un segnale. Quando i dischi freno si raffreddano durante la sosta, la centralina tende il freno automaticamente. Questa funzione viene attivata con l'azionamento dell'interruttore. In questo caso la funzione dell'interruttore è simile a una normale leva del freno a mano. Finché l'interruttore è azionato il veicolo è frenato; non appena l'interruttore viene rilasciato, l'azione frenante viene interrotta.
La frenata con il freno di stazionamento viene effettuata solo a velocità inferiori a 8 km/h. Se la velocità è maggiore, la frenata viene eseguita dal sistema ESP che distribuisce la pressione frenante su tutti e quattro i freni delle ruote. Allo stesso tempo, con pedale dell'acceleratore premuto, la coppia motrice si riduce e il regolatore di velocità, se inserito, viene disinserito.
Questa funzione permette di affrontare le salite in modo dolce, senza indietreggiare con il veicolo. Per sfruttare la funzione di questo dispositivo nel migliore dei modi, la centralina necessita di altre informazioni. A questo proposito attraverso il bus CAN vengono prese in considerazione le informazioni sulla marcia inserita, la posizione del pedale dell'acceleratore, la coppia motrice e il sensore di inclinazione integrato nella centralina. Il freno di stazionamento viene rilasciato tenendo conto di queste informazioni.
Il controllo dello spessore delle pastiglie viene effettuato circa ogni 500 km. Per questo il veicolo si deve trovare in condizione di arresto, con freno di stazionamento allentato e quadro spento. La centralina sposta la pastiglia dalla posizione di fine corsa (posizione di zero) fin contro il disco freno. In base al valore misurato dal trasduttore Hall, la centralina calcola la distanza percorsa con le pastiglie dei freni e quindi lo spessore.
BMW Serie 7
Nel caso della BMW Serie 7 il meccanismo di stazionamento non agisce direttamente, come nell'Audi, sulle pastiglie dei freni posteriori, ma sul freno a tamburo Duo Servo. Questo si trova all'interno dei dischi dei freni posteriori. Se il freno di stazionamento viene azionato, il motorino elettrico mette in moto l'albero filettato attraverso gli ingranaggi in plastica. Attraverso la filettatura sull'albero la leva di bilanciamento, per la compensazione tra destra e sinistra, viene mossa avanti e indietro sull'albero filettato. A seconda che si debba azionare o rilasciare il freno. Le pulegge di rinvio del cavo sono fissate alla leva di bilanciamento attraverso leve di collegamento. Nelle pulegge di rinvio del cavo vengono agganciati i cavi di comando per il lato destro e sinistro.
Se si rilascia il freno di stazionamento, il motorino elettrico fa ruotare l'albero filettato nella direzione opposta. La leva di bilanciamento viene spostata all'indietro e le pulegge di rinvio del cavo ruotano verso l'esterno. I cavi di comando vengono fatti scorrere all'indietro e il freno di stazionamento viene rilasciato.
Affinché tutta la forza di trattenimento del freno di stazionamento, in condizione tirata, non gravi completamente sugli ingranaggi di plastica, viene montata una molla autoserrante. La molla autoserrante è applicata all'albero filettato. Se il freno di stazionamento è tirato e l'albero filettato ha raggiunto la posizione di bloccaggio, la forza di ritorno tenta di far ruotare l'albero filettato in direzione opposta. Attraverso questo movimento di rotazione in senso contrario, le prime spire della molla autoserrante vengono premute verso l'esterno, contro il corpo circostante. In questo modo l'albero filettato viene mantenuto nella sua posizione e le forze di ritorno vengono contrastate dalla molla autoserrante. Quando il freno di stazionamento viene rilasciato, l'albero filettato viene azionato dal motorino elettrico e trascina l'estremità opposta della molla autoserrante.
Per proteggere i tamburi del freno e le pastiglie dalla corrosione e per ottenere sempre un effetto ottimale, durante la marcia il sistema attiva di tanto in tanto i freni. Questo avviene quasi una volta al mese o ogni 1000 km. Il sistema effettua la frenata automaticamente e senza che il conducente se ne accorga. In fase di frenata il freno di stazionamento viene azionato con una forza del 20% circa rispetto alla forza massima. L'usura provocata da questa frenata è estremamente ridotta.
La funzione Hill Holder, che facilita lo spunto in salita, permette che il veicolo venga frenato e rilasciato in modo controllato per impedire che indietreggi in salita. La funzione di trattenimento automatico, arresta il veicolo ad esempio fermo a un semaforo per evitare che avanzi leggermente al minimo. La differenza rispetto all'Audi è che queste funzioni vengono eseguite dal DSC (= controllo dinamico della stabilità).
Attrezzi di Bordo
A tal fine gli attrezzi di bordo della Audi comprendono una speciale chiave Torx. In caso di necessità è necessario smontare la ruota. Con un lato della chiave Torx è possibile svitare il motorino elettrico dalla pinza freno con il riduttore a ingranaggio oscillante.
Anche per BMW gli attrezzi di bordo comprendono un'asta di disinnesto. Questa viene introdotta attraverso un tubo di guida verso una ruota dentata, nel gruppo di regolazione. In caso di assenza di alimentazione elettrica (batteria scarica) è possibile che il veicolo, nonostante il freno sbloccato, non si muova. In questo caso il blocco parcheggio del cambio automatico è ancora inserito.
A tal fine aprire il coperchio dello sbloccaggio di emergenza nel vano piedi sinistro. Tirando il nastro rosso si ribalta e si blocca una leva. Il veicolo deve essere fermo e il quadro deve essere acceso. Azionare l'interruttore del freno di stazionamento elettromeccanico per tre volte a intervalli di 5 secondi. Il sistema avvia il processo di inizializzazione. La posizione di rilascio viene inizializzata. Il freno viene tirato e viene inizializzata la posizione del freno. La spia nel display si illumina di rosso. Il freno viene rilasciato ed è nuovamente pronto per funzionare.
Solo allora è possibile premere indietro il pistoncino del freno. Dopo aver sostituito le pastiglie dei freni, il cilindro viene riportato sul pistoncino con la funzione "Regolazione di base". .. che dopo la sostituzione delle ganasce dei freni o dei dischi posteriori venga effettuata una regolazione di base. A tal fine è necessario svitare un bullone di fissaggio ruota su ogni lato. Con un cacciavite adatto ruotare la vite di regolazione nel foro finché non è più possibile ruotare la ruota. Quindi allentare la vite di regolazione di 10 scatti. Ripetere l'operazione sull'altro lato.
L'Audi A8 riconosce autonomamente questo controllo. Non appena le ruote posteriori ruotano sul banco prova a una velocità costante di 3 - 9 km/h, dopo 3 secondi la centralina riconosce la modalità di controllo. A tal fine è importante che il morsetto 15 (accensione) sia inserito.
Nella BMW Serie 7, il freno di stazionamento può essere controllato solo con motore fermo e quadro acceso.
Diagnostica
Se si verificano guasti al freno di stazionamento elettromeccanico, generalmente come prima cosa si deve iniziare con il controllo sul banco prova. Sul banco prova è possibile determinare se i freni funzionano in modo ridotto o se non funzionano per nulla. Si deve prestare particolare attenzione alle pastiglie/ganasce, alle funi del freno (BMW) e alle eventuali mancanze di tenuta (Audi).
Se l'interruttore del freno di stazionamento viene azionato con veicolo fermo e motore spento, si sente la chiusura. Sulla BMW è possibile, aprendo l'unità di comando, osservare l'operazione di chiusura. Con il dispositivo diagnostico è possibile, come per molti altri sistemi elettrici, leggere la memoria guasti.
In caso di riparazione si devono osservare le istruzioni di riparazione, i valori di controllo e le coppie di serraggio specifici del costruttore.
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