Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 1: introduzione al corso
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
I membri dello staff
Adriano Alessandrini
e-mail: [email protected]
Fabio Cignini
e-mail: [email protected]
Carlos Holguin
e-mail: [email protected]
Daniele Stam
e-mail: [email protected]
Ubicazione delle stanze
Piano quinto dall’ascensore esterno
CTL
Ascensore esterno
Ingegneri Alessandrini, Cignini
Holguin, Stam tel. 0644585148
Ricevimento
Su appuntamento concordato al telefono o via e-mail
[email protected]
Modalità di svolgimento dell’esame
L’esame si tiene previo appuntamento preso direttamente con il
Professore nei periodi previsti alla fine delle lezioni
Orari ed aule per le lezioni
2 Marzo – 30 Maggio
• Lunedì
15:45-17:15
aula 12
• Mercoledì
08:30-10:00
aula 16
• Venerdì
08:30-10:00
aula 47*
(* Aula Leuzzi, piano 4° ascensore esterno)
Dispense e materiali didattici
Tutte le informazioni saranno disponibili al sito:
http://www.ingmecc.uniroma1.it/
Sono costituiti da:
• lucidi proiettati a lezione
• alcuni approfondimenti presi da libri
• articoli su riviste scientifiche
• lavori originali di staff e studenti
Saranno reperibili:
• presso il CTL
• inviabili per e-mail e reperibili sul sito (quelle in formato
elettronico)
Argomenti
• Obiettivo della lezione
• Obiettivi del corso di Sistemi di Trazione
• Obiettivi del laboratorio di Sistemi di Trazione
• Programma delle lezioni
• Definizioni di:
–
–
–
–
–
accessibilità;
mobilità;
modo di trasporto;
sistema di trasporto (e le sue caratteristiche); e
traffico.
Obiettivi della lezione
•
•
•
•
Presentare il corso di Sistemi di Trazione
Presentare il laboratorio di Sistemi di Trazione
Definire gli obiettivi e le finalità del corso
Fornire alcune definizioni fondamentali per il prosieguo del
corso.
• Sfatare alcune credenze abituali in termini di mobilità (es.
che aumentare la velocità in autostrada ne aumenti la
capacità)
• Stabilire i presupposti scientifici su cui costruire le
conoscenze necessarie per conoscere la mobilità e
comprendere i ruoli che gli ingegneri possono avere nella
progettazione e gestione della mobilità
Obiettivi del Corso di Sistemi di Trazione
• Sviluppare alcune conoscenze di base connesse con:
–
–
–
–
la mobilità,
i suoi impatti,
i sistemi tradizionali ed innovativi per mitigare gli impatti e
tecniche e tecnologie per la progettazione e la gestione dei
sistemi avanzati
• Costruire le conoscenze necessarie per conoscere la
mobilità e comprendere i ruoli che gli ingegneri possono
avere nella gestione della mobilità
Obiettivi del laboratorio di Sistemi di Trazione
•
•
•
Approfondire le conoscenze acquisite durante il corso di Sistemi di Trazione
Attività pratiche ed esercitazioni riguardanti alcuni argomenti del corso scelti e
concordati dallo studente con il professore sulla base delle proprie preferenze.
Argomenti tipici sono:
–
–
–
–
–
Analisi dei dati acquisiti durante i dimostrativi di sistemi di trasporto automatizzato su strada
del progetto “CityMobil2”.
Analisi costi-benefici per sistemi di trasporto a chiamata progetto SmartBus-L’Aquila.
Confronto di prestazioni, consumi ed emissioni inquinanti fra automobili ibride e convenzionali.
Analisi costi e benefici nell’uso di veicoli ibridi per la distribuzione delle merci.
Modelli di logica di controllo per powertrain ibridi (termici-elettrici), installazioni e misure al
“banco freno”.
Esercitazioni e Verifica dell’idoneità del laboratorio
Scelto l’argomento, attraverso un proposta scritta sottoposta al professore, e sostenute le
esercitazioni organizzate in base all’argomento, lo studente dovrà redigere un rapporto
tecnico e fare una breve presentazione alla fine del lavoro.
Programma delle lezioni
• Parte prima - La mobilità e i suoi impatti
•
– Introduzione al corso: definizioni, obiettivi e programmi.
– Consumi ed emissioni degli autoveicoli.
– Resistenze al moto dei veicoli, richiami dei principi della
dinamica applicati ai veicoli.
– I sistemi di trasporto a guida vincolata schemi funzionali •
consumi, emissioni e costi.
– Influenza di traffico e guidatore su consumi ed emissioni: stile di
guida, concetti e regole di eco-driving.
– Le esternalità della mobilità: l’incidentalità, il rumore, il consumo
di spazio, la perdita di tempo.
– I metodi di riduzione degli impatti della mobilità.
• Parte seconda – I sistemi di trazione attuali su strada
– Moto degli autoveicoli e prestazioni.
– Consumi ed emissioni degli autoveicoli: quantificazione delle
emissioni del singolo veicolo (piani quotati e modelli).
– Powertrain, cambi di velocità.
– Gli pneumatici: tipologie e caratteristiche costruttive,
acquaplaning, fenomeno della deriva.
– Moto degli autoveicoli, aderenza e frenatura.
– Caratteristiche costruttive delle sospensioni.
– Sterzatura cinematica e handling.
Parte terza – I sistemi di trazione ferroviari
–
–
–
–
Contatto ruota-rotaia.
Carrelli rigidi e sterzabili, sospensione.
Sistemi di propulsione e frenatura.
La frenatura pneumatica in ferrovia.
Parte quarta – I sistemi avanzati di trazione
–
–
–
–
–
Veicoli di trasporto innovativi: veicoli elettrici, veicoli ibridi
e i combustibili alternativi.
I sistemi avanzati di trasporto: trasporto a domanda.
Sistemi di trasporto innovativi e benefici possibili: BRT,
PRT, CTS, Car-Sharing ed altri.
Il monitoraggio delle flotte: Infomobilità, tecnologie per il
monitoraggio energetico ambientale e tecnologie per la
manutenzione dinamica della flotta.
Analisi costi-benefici di sistemi di trasporto.
Definizione di accessibilità
• Accessibilità (in inglese Accessibility o Access) è la
capacità di raggiungere quei beni, servizi, attività e
destinazioni (genericamente definiti opportunità –
opportunities in inglese) che si desidera raggiungere.
• Esempi:
– una scaletta consente l’accessibilità dei ripiani alti della cucina;
– un negozio consente l’accessibilità ai beni lì venduti;
– una biblioteca, il telefono o internet consentono l’accessibilità
dell’informazione;
– il sistema dei trasporti (ad esempio un’automobile sull’autostrada,
una bicicletta su pista ciclabile o il treno sulla rete ferroviaria)
consente l’accessibilità al luogo di lavoro.
Il legame dell’accessibilità con mobilità e trasporto
• Perché dovendo parlare di mobilità e di trasporto si
parte dalla definizione di accessibilità?
• Perché l’accessibilità è la causa prima della totalità
degli spostamenti esclusi quelli in cui il movimento sia
fine a se stesso (fare una regata in barca a vela, montare
un cavallo, fare jogging, …). Altri spostamenti ricreativi,
quali raggiungere un campeggio o un hotel invece,
concernono l’accessibilità delle strutture ricreative.
• I cittadini hanno diritto all’accessibilità e non, come molti
sostengono, alla mobilità.
Definizioni di mobilità, spostamento e modi di trasporto
•
•
•
•
•
Quando per accedere ad un’opportunità è necessario un movimento fisico
(ad esempio di una merce che venga consegnata a domicilio o di una
persona che si rechi in un negozio) si parla di mobilità
La mobilità è la possibilità o l’obbligo di spostamento dato ad un singolo
individuo, ad un gruppo o a delle merci
In particolare ogni singolo viaggio (di una persona o un’unità di merce) si
definisce spostamento
Il modo con cui si effettua lo spostamento si definisce modo di trasporto:
pedonale, bicicletta, moto, auto (genericamente definiti individuali e privati)
e bus, metro, tram, treno (genericamente definiti collettivi e pubblici).
L’accessibilità non comporta mobilità quando si accede all’opportunità in
questione per via telematica o altra via che non comporta lo spostamento
fisico di persone o cose
Definizione di Sistema di Trasporto
•
•
•
•
Perché si effettui uno spostamento secondo un dato modo di
trasporto deve essere disponibile il relativo sistema di trasporto
In una metropolitana la metro stessa è un sistema di trasporto con
infrastrutture, veicoli e sistemi di comunicazione dedicati
Altri modi di trasporto (promiscui) possono condividere le
infrastrutture (es. la rete stradale) o i sistemi di segnalamento (es.
la segnaletica orizzontale e verticale)
Ogni sistema di trasporto ha tre componenti imprescindibili:
– veicoli,
– infrastrutture,
– ed i sistemi di segnalamento (o più in generale per lo scambio di
informazioni).
Caratteristiche dei sistemi di trasporto
•
Sistema di guida
–
–
–
•
Sistema di trazione
–
–
–
•
libera
vincolata
automatica
Produzione energia e motore a bordo
Produzione energia a terra e motore a bordo
Produzione energia e motore a terra
Sistema di marcia
–
–
a vista
controllata
I concetti fondamentali che caratterizzano un sistema
di trasporto
• Velocità commerciale
• Distanziamento
– in tempo
– in spazio
• Frequenza
• Capacità
• Portata
Definizione di velocità commerciale
D
Vc 
 3600
tp  tf
In cui
Vc=
D=
tp =
tf =
Velocità commerciale (km/h)
Distanza percorsa (km)
tempo di marcia(s)
somma dei tempi di fermata (s)
Definizione di distanziamento
• in tempo:
– è il tempo che intercorre tra il passaggio delle teste di due
veicoli (convogli) successivi per una stessa sezione
• in spazio
– è la distanza tra la testa del veicolo (convoglio)
precedente e la testa del seguente
Legame tra distanziamento in tempo e in spazio
Direzione di avanzamento
L
pL
In cui
h=
v0 =
pL + S0=
S0
p  L  S0
h
 3 .6
v0
minimo distanziamento in tempo (s)
velocità di avanzamento (km/h)
minimo distanziamento in spazio (m)
Criteri di sicurezza per il distanziamento
•
Brick wall stop
impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere se il veicolo
(convoglio) precedente ha un arresto istantaneo
•
Decelerazione di emergenza fissata
impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere se il veicolo
(convoglio) precedente ha un arresto con decelerazione di emergenza fissata
•
Decelerazione del veicolo precedente nota
impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere con il veicolo
(convoglio) precedente decelerando con uguale decelerazione
Valori di S0 con i 3 criteri
S0BWS
S0DM
In cui
tr =
d=
dm =
v 02
v0


tr
25.92d 3.6
v 02
v 02
v0



tr
25.92d 25.92d m 3.6
S0DN
v0

tr
3.6
tempo di reazione (s)
decelerazione del veicolo seguente (m/s2)
decelerazione massima assunta per il veicolo precedente (m/s2)
Applicazione del BWS in ferrovia
Direzione del moto
S0
A
1
VERDE via
libera
B
2
GIALLO iniziare
frenatura per arrestarsi
al prossimo segnale
C
3
1° ROSSO
frenatura
automatica
D
4
2° ROSSO
sezione occupata
Applicazione del BWS in ferrovia con stazione
Il secondo
treno può
entrare in
stazione
Tempo
T=Ta
Ripartenza
primo treno
T=0
Arrivo
primo
treno in
stazione
1
2
A
S0
3
B
Direzione del moto
C
4
Stazione
D
Distanziamento in ferrovia all'approccio in stazione
h T
(3K  1)v 0
pL v 0


 3Kt r
v0
2a
2d
In cui
T=
a=
K=
tempo di fermata in stazione (s)
accelerazione del veicolo alla ripartenza (m/s2)
coefficiente di sicurezza (solitamente 1.35 - 1.5)
Definizione di frequenza
Si definisce frequenza (f) il numero di veicoli (convogli)
che transitano per una data sezione nell’unità di tempo.
Tipicamente è espressa in veicoli/ora.
f 
In cui
t=
3600
t
distanziamento in tempo (s)
0f 
3600
h
Definizione di portata
Si definisce portata (P) di un sistema di trasporto di
massa il numero di persone trasportate nell’unità di
tempo. Tipicamente è espressa in passeggeri/ora (p/h).
P  f  Np  p
In cui
Np =
p=
Numero di passeggeri per carrozza
Numero di carrozze per convoglio
Definizione di capacità
Si definisce capacità (C) di un sistema di trasporto di
massa la massima portata che questo può smaltire
C
3600
h
 Np  p
Confronto delle capacità con i 3 criteri di
sicurezza per una metro
d=
1.2 m/s^2
dm = 1.5 m/s^2
Np = 200 passegeri
p=
6 carrozza
L=
21 m
tr =
1s
CBWS st max= 44300 p/h
a 14.5 km/h
200000
180000
160000
Capacità (p/h)
140000
120000
CBWS
CDM
100000
CDN
CBWS staz
80000
60000
40000
20000
0
0
20
40
60
80
V0 (km/h)
100
120
140
Confronto delle capacità con i 3 criteri di
sicurezza per l’autostrada
d=
5 m/s^2
dm = 9.81 m/s^2
Np = 5 passegeri
p=
1 carrozza
L=
5m
tr =
1s
CBW max= 6000 p/h
a 22 km/h
18000
16000
14000
Capacità (p/h)
12000
10000
CBWS
CDM
CDN
8000
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
80
V0 (km/h)
100
120
140
Definizione di arco stradale
• Porzione della rete stradale di lunghezza definita
• Non ha un limite massimo di lunghezza
• Può avere forma e pendenza qualunque
Il tratto di tangenziale Est di Roma da cui provengono le misure
sperimentali
118353, 118368: numeri identificativi di due archi stradali
Definizione di densità di traffico
•
Densità di traffico di un arco stradale
nx
K
x
nx = numero di veicoli che si trovano sull’arco
x = lunghezza dell’arco
•
Si esprime in veh/m o veh/km
Definizione di flusso di traffico
•
Flusso di traffico su un arco stradale
n
Q
Δt
n = numero di veicoli che transitano in un corrispondenza
di punto dell’arco in un intervallo di tempo Δt
•
Si esprime in veh/h
Definizione di velocità media del flusso
•
Velocità media del flusso di traffico su un arco
stradale
Q
U
K
•
si esprime in km/h
Densità flusso e velocità del traffico graficamente
Il traffico sul GRA di Roma
Densità - 65 veh/km/ln
13 veicoli su 200 m
Flusso: n° di veicoli
che transitano in una
sezione nell’ora
Metodo impiegato per la misura della curva di deflusso
sperimentale sull’arco 118368 della Tangenziale EST di Roma
•
Si è posto un sensore in corrispondenza della sezione
mediana dell’arco in osservazione
•
La velocità media del flusso è misurata come media
delle velocità istantanee dei veicoli che transitano in
corrispondenza di tale sezione
•
Il flusso di veicoli è dato dal numero di veicoli che
transitano in un’ora in corrispondenza di tale sezione
La relazione tra flusso e velocità media misurata sperimentalmente
sull’arco 118368 della Tangenziale EST di Roma
Considerazioni sulla relazione tra flusso e velocità media
misurata sperimentalmente
•
•
Nella curva sperimentale si osservano 3 zone distinte:
- 0 ≤ U ≤ 40 km/h: flusso congestionato
- 40 < U < 60 km/h: zona transitoria
- U ≥ 60 km/h: flusso libero
Nella zona transitoria si ha bassa densità di rilevazioni:
il flusso passa “velocemente” da libero a congestionato
e viceversa
Il decadimento della velocità media del flusso nel passaggio
di stato
Conclusioni
I concetti definiti in questa lezione ci aiutano a capire che:
– l’insieme degli spostamenti di persone e merci costituisce la mobilità;
– si deve garantire ai cittadini l’accessibilità ai beni ed ai servizi e non la
mobilità;
– i sistemi di trasporto, anche quelli che offrono modi individuali e privati,
sono composti dell’insieme composto dai veicoli, le infrastrutture ed i
sistemi per lo scambio di informazioni;
– chi tampona in strada ha sempre torto perché la distanza di sicurezza
è definita nel codice della strada secondo il criterio del Brick Wall Stop;
– aumentare la velocità di un flusso di traffico diminuisce la capacità
della strada se si rispetta la distanza di sicurezza;
– superata la massima capacità di una sezione stradale anche un solo
veicolo in più induce la congestione del traffico.