Progettazione e Costruzione dell`Auto

Il libro, previa una panoramica di confronto tra alcuni trasporti, illustra il
progetto e la costruzione dell’auto, come lo schassis, gli assi anteriori e posteriori, le sospensioni meccaniche e pneumatiche, i motori, le trasmissioni
del moto di tipo meccanico o idraulico, gli impianti di ventilazione, di riscaldamento, di condizionamento, gli impianti di frenatura o di comando degli
ausiliari, gli impianti e i rivestimenti interni, secondo le specifiche nazionali ed
internazionali, unite a valutazioni suggerite dall’esperienza dello scrivente.
R OMANO P ANAGIN
Il presente volume di “Progettazione e Costruzione dell’Auto” intende porsi come riferimento a tutti coloro che desiderano avere un orientamento di
tipo ingegneristico, con concetti tipici dei corsi di base delle scienze delle
costruzioni e costruzione di macchine, riferiti alle problematiche tipiche
del settore.
Libri pubblicati dall’Autore
1. “La dinamica del veicolo ferroviario” pubblicato nel 1990 è ora alla terza
edizione e viene utilizzato dai Politecnici o Università di Torino, Firenze,
Roma e Bari.
2. “Costruzione del veicolo ferroviario” pubblicato dal CIFI (Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani)
3. “Progettazione e costruzione dell’ Autobus” la seconda edizione è pubblicata dalla casa Editrice Universitaria Levrotto & Bella
4. “Progettazione e costruzione degli Aeromobili” pubblicato dalla casa Editrice CET
5. “Progettazione e costruzione d’imbarcazione e navi” pubblicato dalla casa
Editrice Universitaria Levrotto & Bella e utilizzato dalla Università degli
Studi di Messina.
ISBN 978-88-8218-180-2
PROGETTAZIONE E COSTRUZIONE DELL’AUTO
Definito l’auto, si trovano le sollecitazioni a cui un veicolo è soggetto durante il percorso stradale, al fine di ottimizzare il comfort per il passeggero e
ridurre l’affaticamento dinamico sui componenti del veicolo.
R OMANO P ANAGIN
Progettazione
e Costruzione dell’Auto
ROMANO PANAGIN
PROGETTAZIONE
E COSTRUZIONE
DELL’AUTO
PROF. ING. ROMANO PANAGIN
Considerato uno dei padri del treno “Pendolino”
Progettista e Consulente nel campo dei trasporti e del RINA
Già - Amministratore Delegato della FIREMA RICERCHE (Torino-Milano)
Responsabile dell’Innovazione e dell’Analisi Valore della FIAT - Torino
Responsabile dei Calcoli e Sperimentazione della FIAT Ferroviaria - Torino
Responsabile nell’ambito del Centro Ricerche Fiat di alcuni progetti per il primo
Piano finalizzato trasporti del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR )
Professore presso il Politecnico di Torino per il corso di Dinamica del Materiale
Rotabile
Professore presso il Politecnico di Milano per il corso di Iterazioni
Elettromeccaniche nella Dinamica dei Rotabili
Autore di un centinaio di pubblicazioni tra studi, libri,
articoli , ricerche , brevetti
Libri Tecnici Pubblicati
La Dinamica del Veicolo Ferroviario - Terza Edizione
Costruzione del Veicolo Ferroviario (Editore CIFI)
Progettazione e Costruzione dell’Autobus
Progettazione e Costruzione degli Aeromobili
Progettazione e Costruzione di Imbarcazioni e Navi
Si ringraziano gli Ingegneri Carlo Garnero e Dario Arciprete, per la collaborazione
relativa all’auto per città
Copyright © 2013 Levrotto & Bella di Gualini T. & C.
di Gualini Elisabetta S.a.s., c.so Einaudi 57/c - Torino
ISBN 9788882181802
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento totale e parziale
con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie
fotostatiche), sono riservati per tutti i Paesi.
La Editrice Universitaria Levrotto & Bella ha il piacere di
presentare il nuovo testo di “PROGETTAZIONE E COSTRUZIONE DELLE AUTO” a cura del Prof. Ing. Romano Panagin,
considerato uno dei padri del treno “ Pendolino”, già docente
del Politecnico di Torino e Milano e responsabile di un Centro di
Ricerche industriale, nonché autore di brevetti, libri e numerosi
contributi per riviste e giornali. Il volume presenta un particolare
interesse, in quanto permette d’avere nel nuovo contesto dei
corsi universitari di recente ristrutturati, un testo introduttivo sulla
materia specifica, per favorire un particolare settore dell’ingegneria ed aiutare il passaggio verso studi più specialistici.
Nel libro si richiamano concetti di materie tradizionali ed
esperienze in temi specifici delle varie costruzioni. Il compito non
è stato semplice data l’ampiezza della materia e delle soluzioni
di mercato, ma speriamo d’interesse per gli addetti al settore.
Al termine del libro viene presentato un nuovo progetto per
un auto da utilizzare in città, di limitato peso e costo, che pur
non realizzato, conserva un certo interesse per eventuali nuove
proposte di veicoli in ambito urbano, con risvolti socio economici
utili alla comunità.
Editrice Universitaria Levrotto & Bella
Introduzione
Le strade, le linee ferrate, le linee aeree e navali sono le vie di comunicazione del
mondo, come il sangue ossigena gli organi del corpo, così le arterie mondiali
facilitano la comunicazione tra le persone e le merci, predisponendo le zone toccate
ad uno sviluppo e in generale ad un miglioramento socio economico delle
popolazioni interessate al fenomeno.
Tra i vari modi di trasporto delle persone, le auto, gli autobus ed i treni si collocano
nei trasporti urbani, interurbani, suburbani, interregionali e internazionali.
Il presente volume di “ Progettazione e costruzione dell’Auto” intende porsi come
riferimento a tutti coloro che desiderano avere un orientamento di tipo ingegneristico,
con concetti tipici dei corsi di base delle scienze delle costruzioni e costruzione di
macchine, riferiti alle problematiche tipiche del settore.
Il libro , previa una panoramica di confronto tra i modi per il trasporto, auto, autobus
e treno, illustra il progetto e la costruzione delle auto, delle parti principali per la
formazione del veicolo, come lo schassis ,
gli assi anteriori e posteriori, le
sospensioni meccaniche e pneumatiche, i motori, le trasmissioni del moto di tipo
meccanico o idraulico, gli
impianti di ventilazione, di riscaldamento, di
condizionamento, gli impianti di frenatura o di comando degli ausiliari, gli impianti e
i rivestimenti interni, secondo le specifiche nazionali ed internazionali, unite a
valutazioni suggerite dall’esperienza dello scrivente.
I dimensionamenti vengono fatti considerando le condizioni di esercizio come il
carico verticale normale e su terreno sconnesso, gli sforzi di frenatura o di curva ed i
carichi eccezionali di ribaltamento e di crash.
Un’indagine particolare viene fatta sulla dinamica del veicolo per il miglioramento
del comfort ai passeggeri e per diminuire le sollecitazioni dinamiche sulle strutture
dell’auto.
Una parallela indagine dinamica è fatta sulla trasmissione del moto, dal motore alle
ruote, per evidenziare sia le vibrazioni che possono essere evitate o rapidamente
superate nelle varie marce, gli effetti sull’aderenza ruota – strada, il comfort acustico
e vibrazionale a cui il passeggero è soggetto.
4
I calcoli, per il progetto dei vari componenti, utilizzano i metodi tradizionali di
Saint- Venant o della teoria dell’elasticità in paragone al metodo degli elementi finiti
( FEM ).
Il metodo degli elementi finiti e stato realizzato per il dimensionamento statico e
dinamico dei veicoli spaziali e poi utilizzato in tutto il mondo per verificare le
tensioni di ogni struttura, macchina, fabbricato, veicolo stradale, ferroviario, aereo,
imbarcazione e nave.
Per ricavare valori attendibili delle tensioni, le strutture devono essere discretizzate in
maniera corretta ( suddivisione parzializzata delle strutture con vincoli adeguati ), la
validazione della discretizzazione può essere fatta in punti caratteristici privi di
saldature, variazioni di sezione, presenza di carichi, utilizzando le scienze delle
costruzioni tradizionali.
Il confronto tra i vari metodi di calcolo tradizionali e innovativi permette confronti e
verifiche sulla bontà della discretizzazione dei modelli matematici ad elementi finiti.
I coefficienti di sicurezza alla rottura, snervamento o fatica devono essere definiti in
base alla tecnologia di costruzione del componente, come lo stato superficiale del
materiale, le varie discontinuità di forma, i vari tipi di saldatura.
Al termine si determinano le prestazioni dell’auto nelle varie marce e si illustra un
nuovo tipo di Auto per trasporto cittadino.
Allo scopo di rendere didattico il testo a beneficio dei corsi universitari di base,
alcuni esempi mostrano la possibilità di dimensionare i vari componenti tramite la
scienza delle costruzioni, tali esempi potranno essere approfonditi da studenti di
ingegneria o allievi progettisti con i metodi moderni degli elementi finiti.
In generale si è cercato di favorire gli aspetti applicativi mostrando in tabelle sia le
caratteristiche tecnologiche dei materiali di formazione dei componenti, sia il diverso
comportamento statico o dinamico delle auto di pesi e caratteristiche diverse,
sollecitati da date condizioni di esercizio.
Lo stimolo alla pubblicazione del libro si deve pure alla continua evoluzione del
settore sia nel campo strutturale che motoristico.
Romano Panagin
5
INDICE DEL LIBRO
Introduzione………………………………………………………………….
Indice del libro
………………… ……………………………
Confronto tecnico economico tra auto, autobus e treno ………………………..
Auto …………………………………………………………………………….
Autobus…………………..………………………………………………….
Treni…………………..………………………….………………………….
Dimensioni, capienze e pesi delle auto ……………………………………..
Carichi verticali ……………………………………………………………..…
Sforzi di frenatura………………………………………………………….…..
Sforzi in curva …………………………………………………………………..
Condizioni di ribaltamento……………………………………………………...
Condizioni di stabilità allo strisciamento………………………………………..
Condizioni di comfort………………………………………………………….
Ribaltamento laterale …………………………………………………………..
Prove di crash …………………………………………………………………..
Assi inerziali delle auto……………………………………………..………
La dinamica del veicolo………………………………………………………..
Motore………………………………………………………………………….
Motore a 2 tempi ……………………………………………………………..
Motore a 4 tempi …………………………………………………………….
Nuovi motori a benzina con turbocompressore ……………………………..
Motori diesel …………………………………………………………………
Impianto di raffreddamento motore……………………………….…………
Impianto di lubrificazione motore…………………………….……………
Serbatoio ……………………………………………………………………
Silenziatore - dispositivo di scarico …………………………………………
Filtri aspirazione aria ………………………………………………………
Cambio meccanico ………….…………………………………….…………
Giunto idraulico……………………………………………………………..
Cambio idraulico…………………………………………………..…………
Cambio differenziale idromeccanico..………………………………………
Frizione ………………………………………………………………………
Frizione monodisco a secco…………………………………………..………
Frizione a bagno d’olio……………………………………………..…………
Molle a tazza………………………………………………………………….
Ruote libere………………………………………………………………….…
Trasmissione meccanica………………………………………………….……
Cardani………………………………..……………………………………….
Gruppo asse ponte………………………….…………………………………
Calcolo ruote coniche e differenziale………………………………………….
Gruppo ponte con differenziale a ruote cilindriche……………………………
Calcolo dei cuscinetti …………………………………………………………..
Calcolo asse motore posteriore…………………………………………………
Asse anteriore sterzante….…………………………………………………….
Sterzo……………………………………………………………..……………
Servosterzo……………………………………………………………….……
Cerchi a disco e pneumatici……………………………………………………
Cerchi a disco …………………..………………………………………………
Pneumatici……………………………..………………………………………
Oscillazioni torsionali generate dalla motorizzazione…………..……………
Modelli matematici……………………………………………………………
Auto con trasmissione diesel- meccanica…………………….
Auto con trasmissione diesel- idraulica………………………
Sospensioni per auto ……………………………………………………………..
6
4
6
8
11
17
23
31
43
46
48
49
50
51
53
54
62
65
74
79
81
87
104
119
125
127
128
130
131
137
140
152
156
159
160
162
179
187
193
201
202
213
216
221
226
237
239
241
241
242
252
263
270
275
284
Sospensioni con molle ad elica…………………………………………………
Sospensione con balestre……………………….………………………………
Sospensioni a barre di torsione
Sospensioni idropneumatiche………………………………………………………
Sospensioni pneumatiche
Molle ad elica ……………………………………………………………………..
Molle a balestra …………………………………………………………………
Molle pneumatiche ……………………………………………………………..
Ammortizzatori viscosi…………….…………………………………………..
Ammortizzatori ad attrito…..…………………….…………………………….
Barre antirollio……………………………………………..………………….
Calettamenti…………………………………………… …………………….
Considerazioni dimensionali ………………………..…………………..…….
Diagramma di Smih……………………………………………………………
Diagramma di Gough Pollard………………………………………………….
Diagramma di Wohler………………………………………………………
Ipotesi di rottura per fatica………………………………………………………
Coefficienti di sicurezza……………………………………………………
Strutture portanti della scocca…………………………………………..…
Struttura del telaio ……………………………………………………………
Pianale auto ………………………………………………………….
Scocca dell’auto con carico verticale………………………………………
Scocca dell’auto soggetta a torsione………………………………………………
Struttura dell’auto calcolata con gli elementi finiti ( FEM )………………………
Travi portanti di vincolo alle sospensioni………………………………………
Incremento delle tensioni nelle strutture saldate………………..……………
Collegamento tra rivetti e lamiere …………………………………………….
Impianto elettrico…………………………………………………………..…
Impianti termici ………………………………………………………………
Impianto di ventilazione, riscaldamento ………………….…………………
Impianto di condizionamento………………………………………..………
Impianto di frenatura……………………………………………………….…
Impianto di frenatura idraulico………………………………………………
Impianto di frenatura pneuidraulico…………………………………………
Compressore………………………..…………………………………………
Impianto di frenatura Elettroidraulico
Freni a tamburo…………………………….…………………………………
Freni a dischi….…………………………………….…………………………
L’ABS ……………………………………………………
Condizioni di comfort……………………………………………….…………….
Rivestimenti interni , ……………………………………………………….…
Poltrone e sedili..………………………………………………………………
Pavimento……………………….……………………………………………
Porte………………………………………………..…………………………
Finestre………………………………………………………………………
Avvisatore acustico …………………………………..……………………..
Indicatore livello carburante………………………………………………………
Prestazioni dell’auto – Resistenze di rotolamento…………………………………
Resistenze aerodinamiche………………………….………………………
Prove in galleria del vento …………………………………………………
Resistenze in curva………………………………………..………………
Resistenza create dalle pendenze……………………………..…………
Prestazioni…………………………………………………………
Auto elettrica per città……………………………………………..
Testi consultati…………………………………………………………
7
285
294
295
297
299
303
309
316
326
337
340
346
350
350
352
355
356
361
364
366
375
384
387
393
402
409
421
423
430
433
436
441
441
443
445
450
456
461
466
469
483
485
488
490
492
495
497
498
499
501
509
511
511
514
531-532
CONFRONTO TECNICO ECONOMICO tra AUTO, AUTOBUS e TRENO
Il confronto tecnico economico tra AUTO, AUTOBUS e TRENO interregionale può essere fatto su
determinate percorsi confacenti alle caratteristiche dei mezzi.
La valutazione economica tiene conto delle quote di ammortamento, dei costi energetici e di
esercizio dei vari veicoli. I costi di esercizio per i mezzi comprendono le quote di assicurazione, di
ricovero e i prezzi delle infrastrutture utilizzate per il servizio svolto.
Per le auto e gli autobus si considerano nei costi di esercizio i prezzi autostradali dove sono
compresi le quote di ammortamento, di esercizio e gli utili dell’autostrada .
Per i treni si considerano nei costi di esercizio i prezzi delle linee ferroviarie, dove sono compresi
le quote di ammortamento, di esercizio e gli utili.
L’AUTO di media cilindrata deve percorre l’autostrada alla velocità massima di 130 Km/h e collega
luoghi posti a circa 200 -300 km ad una velocità media di 100 km/h , trasportando il massimo delle
persone .
Gli AUTOBUS hanno mediamente velocità massime di 120 km /ora , possono ottenere velocità
commerciali di circa 80 km/h dovendo fermarsi per i bisogni fisiologici dei passeggeri e per il
riposo del guidatore.
In questo modo di trasporto può entrare l’AUTOBUS da turismo dove i tempi di percorso non
hanno una importanza rilevante, perché possono fornire al passeggero la visione dei paesaggi e
città delle zone attraversate, per contro il numero di passeggeri trasportati è al massimo uguale a
circa 70 persone e la velocità commerciale è di circa 60 km/h.
Il TRENO a media o alta frequentazione svolge la propria attività su percorsi interregionali con
velocità commerciali di circa 100 km/h poiché i treni si devono fermare nelle varie stazioni,
mediamente situate tra loro a circa 25 – 35 km.
In funzione dei flussi di traffico della linea, si utilizza un singolo veicolo ferroviario o in
composizione con altri, con un massimo di circa 5 - 6 elementi,
Queste quote sono rapportati all’utilizzo del solo mezzo, in seconda istanza in funzione del singolo
passeggero dato che con l’auto si ha un minimo di 5 - 7 passeggeri, con gli autobus un massimo di
55 - 85 passeggeri e con treni singoli di circa 70 persone e convogli di circa 600 passeggeri.
I costi energetici dei veicoli devono essere valutati in funzione di un unico parametro energetico
indipendentemente se si tratta di benzina, gasolio o altro combustibile, mentre per i treni elettrici si
fa riferimento al combustibile utilizzato nella centrale termoelettrica, considerando le perdite della
linea elettrica ad alta tensione, sotto stazioni elettriche, linea di alimentazione, tipo di trazione se a
corrente continua o alternata
8
Altre considerazioni devono farsi per avere dati comparabili, come :
1. La velocità media per auto e autobus su un percorso autostradale, tiene conto della fase di
accelerazione e di frenatura con limitazioni come rallentamenti, ingorghi autostradali, fermate
ai caselli, nonché particolari condizioni di vento contrario .
La velocità media per il treno su un percorso ferroviario, tiene conto della fase di accelerazione
e di frenatura con limitazioni come rallentamenti per l’incontro con altri treni, vento contrario o
resistenze di gallerie, fermate alle stazioni ferroviarie.
2. Il numero di passeggeri trasportati dai treni singoli sono di circa 70 persone, mentre per i
convogli di circa 600 passeggeri, l’autobus dispone da 55 a 85 posti, l’auto da 5 a un massimo
di 7 passeggeri , pertanto il costo relativo al trasferimento di persone deve essere riferito in
prima istanza al solo veicolo, in seconda alla singola persona trasportata.
3. Nella valutazione dei tempi di trasferimento sui percorsi tipici dei singoli veicoli bisogna tener
conto dei tempi necessari per raggiungere l’effettiva destinazione, così si considerano nulli i
tempi alla partenza e all’arrivo per l’auto, tempi persi di 10 minuti per raggiungere o
allontanarsi dalla stazione per i treni e gli autobus.
4. Le valutazioni sui costi energetici sono fatte a pari prezzo del combustibile primario di 1 Euro
per Kg .
Figura 1 - Auto BMW
9
L’AUTO è il mezzo più diffuso in Italia , dove circolano circa 27 milioni di veicoli poiché oltre a
favorire i collegamenti tra luoghi vicini o lontani, lascia all’individuo la massima libertà di scelta
sul come gestire il proprio tempo o quante persone o bagaglio portarsi nel trasferimento.
Nel confronto che stiamo per operare dovremo perciò incanalare e quindi limitare l’auto ad una
attività definita, utilizzando un’auto di media cilindrata che percorre l’autostrada alla velocità
massima di 130 Km/h e colleghi luoghi posti a circa 200 - 300 km ad una velocità media di 100
km/h , trasportando il massimo delle persone .
L’AUTO nel caso specifico può essere confrontata con l’AUTOBUS di linea su percorsi
interregionali di circa 200 - 300 km, con velocità massime di 120 km /ora , possono ottenere
velocità commerciali di circa 80 km/h dovendo fermarsi per i bisogni fisiologici dei passeggeri e
per il riposo del guidatore.
In questo modo di trasporto può entrare l’AUTOBUS da turismo con percorsi di circa 600 – 800
km, dove i tempi di percorso non hanno una importanza rilevante perché possono fornire al
passeggero la visione dei paesaggi e città delle zone attraversate, per contro il numero di passeggeri
trasportati è limitato a circa 70 persone e la velocità commerciale è di circa 60 km/h.
Il TRENO a media o alta frequentazione per trasporto pendolari, svolge la propria attività su percorsi
interregionali di circa 200 - 300 km, con velocità massime di 130-160 km/h, ottiene velocità commerciali di
circa 100 km/h, poiché i treni si devono fermare nelle varie stazioni, mediamente situate tra loro a circa
25 – 35 km.
I tre veicoli definiscono pertanto certe modalità di trasporto utili alle necessità dei passeggeri con
determinati tempi e costi, il passeggero che viaggia per lavoro utilizzerà il mezzo più veloci anche
se più costoso per avere maggior tempo operativo a disposizione, il passeggero che viaggia per
turismo può scegliere il mezzo meno veloce e più economico .
Oltre al tempo e al costo un terzo parametro può giocare nella scelta del passeggero, questo terzo
parametro è il comfort, misurato soggettivamente dagli spazi messi a disposizione, dal tipo di
poltroncina usata, dalla adattabilità del soggetto alla imbottitura della seduta o sull’inclinazione
dello schienale, dal condizionamento dell’aria in funzione delle condizioni climatiche.
Il comfort del veicolo è pure misurato da indici propri del veicolo come le vibrazioni e la
rumorosità e le caratteristiche del percorso che definisce a quali accelerazioni il passeggero è
soggetto .
I costi del trasporto, il comfort ed i tempi di percorso di ogni singolo mezzo su date tratte, possono
determinare la scelta sia dell’investitore che dell’utilizzatore .
10
AUTO
L’AUTO di cilindrata uguale a circa 2000 cm3 svolge la propria attività su percorsi di circa
200 -300 km , con velocità massime possibili di circa 200 km/h che non possono essere attuate
sulle strade, poiché ad esempio sulle autostrade i limiti di velocità massima sono a 130 km/h, la
velocità commerciali si riduce ulteriormente a circa 100 km/h, poiché si verificano rallentamenti
per la presenza di curve percorse a velocità inferiore, code, lavori stradali, fermate ai caselli, ecc.
Questa famiglia di auto ha una cubatura di 4-8 m3 , trasportano da 5 a un massimo di 7 persone
( compreso il guidatore ) e hanno una massa media di circa 1200 - 1700 kg.
Le potenze installate variano da 60 a 170 Cv ( 44,1 a 125 kw ) fino a potenze massime di circa
660 Cv ( 485Kw ) per auto sportive, con consumi medi sul percorso misto di 10 – 15 - 20 km / kg.
Il motore termico può essere a benzina, diesel o GPL , la trasmissione del moto avviene tramite un
cambio meccanico normalmente a 5 marce o un cambio automatico che trasmette il moto al ponte
dove tramite un differenziale e due semiassi si comandano le ruote per la trazione.
La trazione può essere anteriore, posteriore e su entrambi gli assi.
Le AUTO hanno un rapporto potenza /massa di circa 0.1 Cv/ kg (0.074 kw / kg ) tale da
permettere tempi in avviamento da zero a 100 km/h di circa 100 secondi .
Nella normalità hanno interni funzionali e abbastanza confortevoli senza tuttavia essere lussuosi ,
con posti di seduta regolabili in verticale e longitudinale e per l’inclinazione della seduta e dello
schienale .
Alcune auto dispongono di un impianto per la ventilazione e il riscaldamento, mentre le nuove
hanno un impianto di condizionamento al fine di fornire un eguale comfort sia nel periodo invernale
che estivo .
Le auto hanno un fattore di accrescimento medio di 2.6 – 3.5 , tra i valori più bassi tra i vari mezzi
di trasporto ( rapporto tra la massa del veicolo vuoto e il carico utile trasportato ) dimostrando un
basso peso strutturale in funzione del carico utile ( se si considera il pieno carico di persone e
bagagli ) e una progettazione d’avanguardia sostenuta dalla ricerca e da una buona sperimentazione.
Il fattore di accrescimento ha pure una valenza economica, poiché la massa dell’auto può collegarsi
con l’investimento, mentre il carico utile può correlarsi con gli introiti
Fattori di accrescimento maggiori fino a 7,5 esistono per auto sportive o di limitate serie.
La vita delle auto è di circa 10 anni e percorrono normalmente dai 10.000 a 15.000 km ogni anno.
Riassumendo le varie caratteristiche delle AUTO per percorsi autostradali di circa 200 – 300 km,
sono :
11
12
13
20900
2.93
13680
2.88
3.22
34290
13
13
13.3
5
15.4
5
5
2499
16.7
1749
1878
5
16.1
4
4
6000
75
5500
4600
31.8
141
185
7
420
1935
1.74
55
16
196
142
12.7
5
5
116
456
624
71
1290
1267
Citroen
Berlingo 1.9 DX 4p
1.48
Citroen
C5 1.8 16v
SX 5p
1.81
Chrysler
Voyager 2.5 CRD
Lx 5 p
1.95
Audi A3 1.9 TDI
Ambition 5 p
1.77
2.72
25360
18.2
22.7
55
5
1896
4
4000
24.4
101
188
5
350
1200
1.42
1.74
Volvo ,S60
2.4 DS
1.72
2148
1988
2405
3.42
32390
29900
30500
3.47
15.6
15.6
16.6
21.3
5
4
4
32.1
28.5
220
200
143
5
5
125
430
1505
1.43
1.73
425
1.45
1.76
5
34.7
173
210
5
424
1527
1.428
1.804
Saab 9-3
2.2 16v TiD
Vector Sedan
4.53
Mercedes – Benz
C220CDI Classic
4.63
3.39
30550
18.2
22.2
63
5
1995
4
4000
33.6
150
216
5
440
1490
1.415
1.739
4.471
Bmv 320d
4.566
38641
3.23
30150
3.42
10.3
13.7
22.7
18.2
72
5
1970
4
6400
191
155
213
5
490
1420
1.42
1.82
4.72
70
1896
4
4000
31.6
130
204
5
455
1505
1.43
1.77
4.55
Audi A4 TDI
130 Cv
4.15
Alfa Romeo 166
2.0 16v T.S.
Distinctive 4p
4.73
2.96
28556
16.9
21.3
63
5
1910
4
4040
31
140
209
5
378
1305
1.41.5
1.745
4.43
Alfa Romeo 156
1.9JTD 16v
Distinctive
4.72
( kg )
(m)
(m)
(m)
( Cv )
( kgm )
( cc.c. )
Fattore di accrescimento
Prezzo su strada (Euro)
Consumo misto (km/litri )
Consumo extraurbano
( km/litri )
Capacità serbatoio ( Litri )
Numero di marce
Cilindrata
Numero cilindri
Giri /min
Coppia
Potenza
Velocità max (km/h )
Numero posti
Capacità carico (litri)
Massa
Altezza
Larghezza
Lunghezza
Auto
4.14
Di seguito si danno le caratteristiche di altre auto con le capacità di carico, numero di marce,
capacità dei serbatoi, consumo di carburante misto e extraurbano.
4.57
1.76
1.48
Renault
Megane 2.0 16v
Dinamique Luxe 3p
1.78
1.46
Mitsubishi
Space Star 1.6 16v
Comfort 5p
14
5000
4
1584
5
55
16.9
14
18170
5600
4
1769
5
72
16.9
13.3
23900
5500
4
1998
6
60
15.6
12.5
18350
2.64
16.3
16.6
19.5
2.8
98
180
116
200
116
5
5
5
136
270
450
330
1165
1.52
Merceds – Benz
E200 1.8 16v
Classic 4p
3.57
38380
11.9
-
55
6
1796
4
5500
24.5
163
230
5
520
1570
1.45
1.82
Lancia
Phedra 2.0 16v
Esecutive 5p
1.72
2.74
30900
11
13.7
80
5
1997
4
6000
19.4
136
185
7
324
1645
1.75
1.86
Lancia
Libra 1.9 jtd
Intensa SW
3.07
28820
16.7
21.2
70
5
1910
4
4000
28
115
185
5
420
1350
1.47
1.74
3.37
17000
15.6
19.6
55
5
1991
4
4000
24
112
190
5
415
1482
1.43
1.72
4.5
Hyundai
Elantra 2.0 16v
CRDi GLS Plus 5p
4.47
1798
5
58
17.5
12.8
20450
2.95
Automatico
50
17.2
14.7
19300
2.82
4
6000
17.3
125
207
5
500
1298
1.42
1.81
4.70
1590
4
5600
15.5
110
185
5
670
1240
1.5
1.7
4.29
Honda
Civic 1.6 16v Vautomatica ES 5p
4.75
Ford
Mondeo 1.8 16v
Ghia 5p
4.82
2.88
22420
10.3
13.2
58
Automatico
2446
5
6000
22.5
170
215
5
305
1265
1.47
1.78
4.18
Fiat
Stilo 2.4 20v
Abarth 3p
4.05
2.89
27400
14.3
16.9
80
5
1997
4
4000
27.5
109
174
7
324
1736
1.75
1.86
4.62
Fiat
Ulisse 2.0 JTD
Dynamic 5p
1230
Nissan
Primera 1.8 16v
Tekna 4p
4.21
( kg )
(m)
(m)
(m)
( Cv )
( kgm )
( cc.c. )
Fattore di accrescimento
Prezzo su strada (Euro)
Consumo misto (km/litri )
Consumo extraurbano
( km/litri )
Capacità serbatoio ( Litri )
Numero di marce
Cilindrata
Numero cilindri
Giri /min
Coppia
Potenza
Velocità max (km/h )
Numero posti
Capacità carico (litri)
Massa
Altezza
Larghezza
Lunghezza
Auto
VALUTAZIONI TECNICO ECONOMICHE
Da questa indagine globale sulle auto per il trasporto di persone su percorsi di 200 - 300 km è
possibile fare delle considerazioni tecnico economiche .
L’indagine tecnica si riferisce ad un percorso tipico dove è possibile rilevare il flusso di energia che
viene utilizzato partendo dal combustibile e consumato dal motore, dalle perdite organiche, dal
rotolamento delle ruote, dalle resistenze aerodinamiche, dalle trasmissioni e accessori
In questa indagine tecnica è pure possibile definire una mappa della distribuzione dei kg di
combustibile consumati sulla missione se fossero note le riduzioni di velocità e fermate
( 10 – 15 – 20 Km / litro ) .
La missione per l’auto su un percorso di 200 - 300 km viene fatta in autostrada alla velocità
massima di 130 km/h dove possono considerarsi rallentamenti per code, ingombro stradale e
fermate intermedie per bisogni fisiologici, per cui la velocità media risulta di circa 100 km/h .
L’indagine economica viene fatta su una vita dell’auto di 10 anni riferita al primo proprietario in cui
si considerano i costi di ammortamento e di esercizio ponendo un percorso annuo di 15.000 km.
La prima indagine è svolta al fine di definire il costo per km dell’auto dove l’ammortamento
dell’auto del valore medio di 20.000 Euro, è valutato al 5 % per il periodo di 10 anni .
Il costo di esercizio è valutato considerando i costi diretti propri dell’auto come il costo energetico ,
la manutenzione, il ricovero, l’assicurazione, il bollo e i costi indiretti in funzione dei percorsi annui
dovuti all’utilizzo delle autostrade dove il prezzo autostradale per l’auto copre gli investimenti, i
costi di manutenzione e di esercizio, compresi gli utili devoluti all’investitore.
Questa valutazione dei costi chilometrici sarà in seguito variata con i costi chilometrici per persona
poiché si dovrà confrontare l’auto con l’autobus ed il treno, che percorrono un eguale
chilometraggio con eventuale diversi tempi di percorso e numero di passeggeri trasportati. .
Il comfort dell’auto è definito dalla strada percorsa e dalle caratteristiche del veicolo come la
geometria strutturale, le rigidezze e smorzamenti delle sospensioni, pertanto ha una risposta
soggettiva di 3.3 con un range abbastanza ampio da 2.2 - 6.3 forse dovuto al tipo di fondo stradale.
L’auto ha limitate sollecitazioni, una velocità di rollio media 0.038 rad/sec e beccheggio 0.03
rad/sec, le accelerazioni verticali 0.9 m/sec2 e laterali 0.8 m/sec2.
La rumorosità ha un campo abbastanza ampio 72 – 84 dB a causa della variabilità del fondo
15
stradale , ma anche del coefficiente di resistenza aerodinamico del veicolo che in funzione di un
elevato valore può avere maggiore rumorosità ed aumentati valori dei consumi energetici.
costi dell' auto
0,59
0,6
0,27
0,4
0,24
0,08
euro/km
0,2
0
totale
ammortamento
esercizio
energetico
8872
10000
8000
4072
6000
euro/anno
3600
1200
4000
2000
0
totale
ammortamento
esercizio
energetico
0,116
0,12
0,1
0,054
0,08
0,046
euro/km x persona 0,06
0,016
0,04
0,02
0
totale
ammortamento
16
esercizio
energetico
AUTOBUS
PREFAZIONE sull’argomento Autobus
La progettazione e costruzione degli autobus è simile sia che si tratti d’autobus da turismo, di linea od
urbani, anche se hanno varie dimensioni geometriche, con adeguate potenze installate, trasmissioni, impianti
e interni.
Gli autobus urbani del peso a carico minimo di
6000 kg e massimo di 16000 kg, trasportano un numero
limitato di passeggeri seduti da 15 a 25 su percorsi massimi di 20 km, con fermate ogni circa 1 - 2 km, hanno
un numero plurimo di porte per la frequente salita e discesa dei passeggeri.
Alcuni autobus urbani possono avere anche pesi a carico inferiori, per inserirsi in centri cittadini con strade
di limitata larghezza o per il trasporto di studenti alle scuole.
Gli autobus di linea e da turismo, del peso a carico minimo di 17000 kg ad un massimo di circa 18000 kg,
trasportano un numero consistente di passeggeri seduti da un minimo di 55 ad un massimo di 80 nei veicoli a
due piani, hanno un numero limitato di porte per la salita e discesa dei passeggeri, dispongono al massimo di
due porte per i passeggeri e di una porta per il guidatore.
Questi Autobus sono utilizzati su percorsi massimi da 200 a 600 km, con fermate ogni circa 20 km per quelli
di linea e ogni circa 100 km per gli autobus da turismo, per consentire all’autista dati tempi di riposo e per i
bisogni fisiologici dei passeggeri, anche se alcuni veicoli dispongono a bordo di limitate ritirate.
Gli autobus da turismo moderni hanno un piano di carico bagaglio nella parte inferiore e il posto passeggeri
al piano superiore, in alcuni casi per il trasporto di molti passeggeri (circa 80) si hanno posti per i passeggeri
sia al piano inferiore che al superiore.
Il confronto tecnico ed economico con altri mezzi di trasporto come l’auto ed il treno è possibile in alcuni
casi con gli autobus turistici, che svolgono il loro servizio su lunghi percorsi e hanno tutta una metodologia
d’utilizzo, in un tempo simile ad altri modi di trasporto.
L’AUTOBUS di linea può svolgere la propria attività su percorsi interregionali di 200-300 km, con
velocità massime di 100-130 km/h ottiene velocità commerciali di circa 80-100 km/h per rallentamenti e
fermate intermedie.
In alternativa l’AUTOBUS può svolgere un servizio turistico su percorsi di 600–800 km con velocità
commerciali ridotte ai 60 - 70 km/h, per le numerose fermate necessarie ai passeggeri per i bisogni fisiologici
e per permettere al guidatore il tempo di riposo, anche se i consumi di combustibile rimangono all’incirca gli
stessi degli AUTOBUS di linea pur con velocità commerciali inferiori.
L’AUTOBUS sia di linea che da turismo, utilizza motori diesel con 6-8 cilindri per una
cilindrata
3
complessiva uguale a circa 10.000 cm (cinque volte la cilindrata delle auto), le potenze installate variano da
300 a 420 CV (220.6 a 308.8 KW) con consumi medi sul percorso misto di 4.1- 5.9 km / kg.
Il diesel ad iniezione può essere con o senza intercooling, il cambio meccanico con giunto idraulico,
normalmente ha da 5 a 8 marce e trasmette il moto al ponte dove tramite un differenziale e due semiassi
comanda le ruote motrici.
17
Versione
T= Turismo
L= linea
SL=super linea
2P= due piani
Cilindrata
t = turbo
Cambio
A = automatico
Sospensione
M = meccanica
Posti totali
= compreso il conducente
Posizione motore
A= anteriore
Freni
DD = dischi integrali DT = dischi/tamburo TT = tamburi integrali
RE = rallentatore meccanico
RI = rallentatore idraulico
i = turbo intercooler
P = pneumatica
C= centrale
18
P= posteriore
Gli AUTOBUS da turismo o di linea hanno sostanzialmente le medesime dimensioni geometriche, il
medesimo numero di passeggeri, gli identici pesi, solo quelli da turismo moderni hanno altezze dal piano
stradale superiori a quelli di linea di circa 300 - 500 mm, poiché si è portato il vano bagaglio nella parte
inferiore del veicolo, mentre nella parte superiore si sono locati i passeggeri per dare a loro una migliore
visibilità, comfort e sicurezza.
Quest’indirizzo progettativo porta ad avere strutture portanti differenti nel caso di veicoli da turismo o di
linea, al fine di sempre tutelare la sicurezza dei passeggeri.
In alcuni casi si hanno autobus a due piani con un numero elevato di passeggeri, ma che non sono compresi
in queste dimensioni generali.
Riassumendo le varie caratteristiche degli AUTOBUS da turismo o di linea, sono:
Dimensioni
Lunghezza massima
Larghezza massima
Altezza massima (a scarico)
Altezza corridoio
Altezza minima dal suolo (a carico)
Passo
Diametro minimo di volta
Sbalzo anteriore
Sbalzo posteriore
Carreggiata anteriore
Carreggiata posteriore
12.000 - 13.100 mm
2500-2550 mm
3265-3720 mm
860-1540 mm
200-300 mm
5900-6290 mm
16.000 – 21.000 mm
2300-2700 mm
3050-3900 mm
2000-2100 mm
1800-1900 mm
Numero totale di posti oltre il guidatore
da 55 a 85
Pesi
Tara comprensiva d’olio, combustibile, ruote di scorta,
acqua utensili e conducente 70 kg
Peso complessivo a carico
12.000 kg
18.000 kg
Ripartizione Pesi
Asse anteriore Tara
Asse posteriore Tara
Peso massimo ammesso (trasportato)
Peso minimo a Tara
Peso massimo
Rapporto minimo (a vuoto ed a carico)
tra pesi asse anteriore e posteriore
4000 kg
8000 kg
6000 kg
12.000 kg
18.000 kg
circa 0.5
Alcuni autobus da turismo per avere un maggior numero di posti aumentano la lunghezza, fermo restando il
bagagliaio inferiore, pertanto installano potenze mediamente superiori (350 - 390 KW, 480 - 530 CV) per
assicurare le medesime velocità d’esercizio dei veicoli tradizionali pur con un aumento delle resistenze di
rotolamento e aerodinamiche.
19
Figura 2 – Autobus da turismo
Riassumendo le varie caratteristiche degli AUTOBUS da turismo o di linea con una maggiore lunghezza,
sono:
Dimensioni
Lunghezza massima
Larghezza massima
Altezza massima (a scarico)
Altezza corridoio
Altezza minima dal suolo (a carico)
Passo
Diametro minimo di volta
Sbalzo anteriore
Sbalzo posteriore
Carreggiata anteriore
Carreggiata posteriore
13.100-13.790 mm
2500-2550 mm
4.000 mm
1.700-1810 mm
300-380 mm
6.600+1350 mm
21.000-21.400 mm
2.300 mm
2850 mm
2000-2100 mm
1800-1900 mm
Numero totale di posti oltre il guidatore
Pesi
da 81 a 91
Tara comprensiva d’olio, combustibile, ruote di scorta,
acqua, utensili e conducente 70 kg
Peso complessivo a carico
16.130 kg
26.000 kg
Ripartizione Pesi
Asse anteriore Tara
Asse intermedio Tara
Asse posteriore Tara
Peso massimo ammesso (trasportato)
Peso minimo a Tara
Peso massimo
Rapporto minimo (a vuoto ed a carico)
tra pesi asse anteriore e posteriori
5000 kg
5000 kg
6000 kg
10.000 kg
16.000 kg
26.000 kg
circa 0.45
Gli AUTOBUS di linea o per il turismo hanno una cubatura di circa 45 m3 compresa la ritirata d’emergenza
per il tipo turistico, trasportano da 53 ad un massimo di 85 persone e hanno una massa totale in ordine di
marcia di 12.000 kg e a carico di 18.000 kg.
20
Il rapporto massimo potenza / massa degli AUTOBUS varia da 0.025 a 0.035 CV/ kg ( 0.018 a 0.026
KW / kg) tale da permettere buone velocità commerciali.
Nella normalità hanno interni funzionali e abbastanza confortevoli con posti di seduta regolabili per
l’inclinazione dello schienale ma con passo limitato.
Alcuni autobus di linea dispongono di un impianto per la ventilazione e il riscaldamento, mentre gli autobus
per il turismo hanno gli impianti di condizionamento, al fine di fornire un eguale comfort termico sia nel
periodo invernale che estivo.
Il carico utile degli AUTOBUS varia da 5 - 8.5 t, pertanto ha un fattore d’accrescimento di circa 2.2 tra i più
bassi tra i mezzi di trasporto (rapporto tra la massa del veicolo vuoto e il carico utile trasportato) dimostrando
un basso peso strutturale in funzione del carico utile e quindi una buona progettazione, non trascurabile è una
buona redditività dato che il peso del veicolo può correlarsi come l’investimento, mentre il carico utile può
correlarsi con gli introiti.
La vita delle autobus è di circa 10 anni e percorrono normalmente 150.000 km ogni anno.
Gli AUTOBUS di linea possono essere confrontati con i treni interregionali, mentre gli AUTOBUS da
turismo possono essere confrontati con i treni ad elevata frequentazione.
VALUTAZIONI TECNICO ECONOMICHE
L’indagine globale sugli autobus per il trasporto di persone su percorsi di linea di circa 200 - 300 km e
autobus per il turismo su percorsi di 600 – 800 km permette una valutazione completa delle caratteristiche
tecnico economiche.
L’indagine si riferisce ad un percorso tipico dove è possibile rilevare il flusso d’energia che viene utilizzato
partendo dal combustibile (4.1-5.9 km / kg) consumato dal motore, dalle perdite organiche, dal rotolamento
delle ruote, dalle resistenze aerodinamiche, dalle trasmissioni e accessori.
Il passeggero che deve raggiungere i luoghi di partenza e arrivo dell’AUTOBUS deve considerare un
aggravio di tempo di circa 20 minuti per svolgere la propria attività.
La missione per l’autobus di linea su un percorso di 300 km viene fatta in autostrada dove sono permesse
velocità massima di 130 km/h, ma si hanno limitazioni di velocità, rallentamenti per code, ingombro stradale
e fermate intermedie per bisogni fisiologici, per questo la velocità media risulta di circa 80 km/h.
La missione per l’autobus da turismo su un percorso di 600 - 800 km viene fatta in autostrada o strade
provinciali con rallentamenti per code, ingombro stradale attraversamento di paesi e numerose fermate
intermedie per bisogni fisiologici e riposo del guidatore, per questo si ottiene una velocità commerciale di
trasferimento di circa 60 - 70 km / h.
La prima indagine è svolta al fine di definire il costo per km dell’autobus dove l’ammortamento per un costo
medio di 250.000 Euro, è valutato al 5 % per il periodo di 10 anni riferiti al primo proprietario.
Il costo d’esercizio è valutato considerando i costi diretti propri dell’autobus come la manutenzione, il
ricovero, l’assicurazione, il bollo e i costi indiretti in funzione dei percorsi annui di 150.000 km dovuti
all’utilizzo delle autostrade dove il prezzo autostradale per l’autobus copre gli investimenti, i costi di
manutenzione e d’esercizio, compresi gli utili devoluti all’investitore stradale.
21
Questa valutazione dei costi chilometrici sarà in seguito variata con i costi chilometrici per persona poiché si
dovrà confrontare l’autobus con gli altri mezzi di trasporto che percorrono un eguale chilometraggio con
eventuale diversi tempi di percorso e numero di persone.
Il comfort dell’autobus è definito dalla strada percorsa e dalle caratteristiche del veicolo come la geometria
strutturale e le rigidezze e smorzamenti delle sospensioni, pertanto ha una risposta soggettiva di 3.4 con un
range abbastanza ampio da 2.2- 6.3 forse dovuto al tipo di fondo stradale, da cittadino a autostradale.
L’autobus ha limitate sollecitazioni, una velocità di rollio media 0.042 rad/sec e beccheggio 0.037 rad/sec, le
accelerazioni verticali 0.82 m/sec2 e laterali 0.75 m/sec2.
La rumorosità ha un campo abbastanza ampio 70 – 83 dB a causa della variabilità del fondo stradale, ma
anche del coefficiente di resistenza aerodinamico del veicolo che in funzione di un elevato valore può avere
maggiore rumorosità ed aumentati valori dei consumi energetici.
costo dell' autobus
0,71
0,8
0,6
0,27
0,24
0,2
euro/km 0,4
0,2
0
totale
ammortamento
esercizio
energetico
106725
120000
100000
80000
euro/anno
40725
36000
60000
30000
40000
20000
0
totale
ammortamento
esercizio
energetico
0,0129
0,015
0,01
0,00491
0,00436
euro/km x persona
0,00363
0,005
0
totale
ammortamento
22
esercizio
energetico
TRENI
Treni interregionali
Il TRENO a media o alta frequentazione svolge la propria attività su percorsi interregionali di 200-300 km,
con velocità massime di 130-160 km/h ottiene velocità commerciali di circa 100 km/h poiché i treni si
devono fermare nelle varie stazioni, mediamente situate tra loro a circa 25 – 35 km.
Le potenze installate variano da 295 a 3500 kW in funzione dell’utilizzo di un singolo veicolo o in
composizione con altri, fino ad un massimo di 5 -6 elementi.
L’utilizzo di uno o più veicoli dipende dai flussi di traffico della linea.
Gli azionamenti di tipo termico presentano un motore diesel, un giunto idraulico con cambio meccanico, un
ponte per l’inversione di marcia che comanda tramite l’assile, le ruote.
In alcune automotrici al posto del giunto idraulico con cambio meccanico è posto un cambio idraulico con
presa diretta, che si attua collegando mediante frizione la pompa alla turbina e rendendo folle lo statore.
Gli azionamenti di tipo elettrico presentano motori a corrente continua o asincroni comandati con reostato,
chopper e inverter.
I nuovi TRENI interregionali hanno un rapporto potenza / massa più elevato da 6.7 a 17.2 KW / t,
permettendo accelerazioni d’avviamento maggiori e tempi medi commerciali più ridotti.
I passeggeri trasportati in funzione delle intensità di traffico variano da un numero minimo di 68 per un
singolo veicolo automotore ( Aln 668 ) ad un massimo di 592 per un convoglio di 4 - 8 veicoli a due piani.
Nella normalità hanno interni funzionali e abbastanza confortevoli senza tuttavia essere lussuosi, con posti di
seduta ogni 1.5-2.5 metri in funzione anche della classe.
I treni con maggiore anzianità dispongono di un impianto per la ventilazione e il riscaldamento dell’aria,
mentre i nuovi dispongono di un impianto di condizionamento al fine di fornire un eguale comfort climatico
sia nel periodo invernale che estivo.
I TRENI interregionali ad alta frequentazione hanno un carico utile da 6.8 a 59.2 t in funzione del numero di
veicoli che formano il convoglio, pertanto il fattore d’accrescimento si colloca da 3.56 a 5.99 (rapporto tra
il treno in o.d.m. e il carico utile trasportato) dimostrando da un lato un maggior numero d’impianti e
conseguente maggior comfort, ma un alto peso strutturale in funzione del carico utile.
Il peso elevato dei veicoli ferroviari è dovuto ad una vita operativa maggiore e ai numerosi dispositivi di
sicurezza alcuni necessari, altri ridondanti.
La vita di questi TRENI è di circa 30 anni e percorrono normalmente dai 150.000 ai 200.000 km ogni anno,
dopo i primi 10 anni di servizio i treni vengono utilizzati su linee secondarie.
Figura 3 – Treno interregionale
23
Eole
SNCF
IRM
NS
ZuercherBahn
CFF
ET423/425
DB
211
38.7
387
3000
130
14.2
0.54
1500
5.45
78
21.9
219
2000
160
17.1
0.36
24
1500
3.56
3.2
3.5
3.05
4.93
-
una valutazione completa delle caratteristiche tecniche economiche
si si
Inverter e
Motori
aincroni
trifase
si
si
4.35
4.42
4.08
3000
si si
3000
5.79
3000
-
2800
5.42
3000
-
4.34
Massa / posti ( t )
0.54
0.51
5.44
-
Fattore d’accrescimento
Tensione
d’alimentazione (V)
Condizionamento
Aria soffiata
Accoppiamento multiplo
Azionamenti
Posti/metro (numero/m)
Potenza/Massa ( kW/t )
7.97
6.7
0.56
7.9
0.59
14.2
Velocità massima
( km/h )
130
130
150
140
Inverter e
Motori
aincroni
0.4
12.4
140
Potenza continuativa
(kW )
295
870
1740
2240
3000
Posti
68
240
380
312
592
(t )
Carico utile
6.8
24
38
31.2
59.2
(t)
Massa
37
130
220
160
242
Chopper
-
5.99
4.56
0.44
13.3
140
3400 o
2800 c
475
47.5
210
(m )
Composizione
Lunghezza
75
108
102
120
1M
Reostatico si si
si si
25000
1500
0.53
12.6
140
3500
522
52.2
227
104
-
Reostatico si si
Motore
termico
1500
0.6
6.8
160
1600
392
39.2
235
112
TAF
FS
108
Ale724
FS
2M+2R 2M+2R 1M+2R
Ale 801/940
FS
100
1M+4R
Ale 803
FS
117
E644 +
carrozza due
piani
FS
2M+2R
Aln 668.31
FS
1M+3R 2M+2R 2M+3R
TRENO
e RETE
4M
Riassumendo le varie caratteristiche dei convogli di treni interregionali, sono:
VALUTAZIONI TECNICO ECONOMICHE
L’indagine globale sui treni interregionali per il trasporto di persone su percorsi di 200 - 300 km permette
L’indagine tecnica si riferisce ad un percorso tipico dove è possibile rilevare il flusso d’energia che viene
utilizzato partendo dal combustibile nel caso di un’automotrice e consumato dal motore termico, dalle
perdite organiche, dal rotolamento delle ruote, dalle resistenze aerodinamiche, dalle trasmissioni e accessori.
Nel caso di elettromotrici bisogna sempre riferirci al combustibile primario, quindi fermo restando le perdite
per il rotolamento, le resistenze aerodinamiche, le trasmissioni e accessori del veicolo bisogna risalire al
combustibile usato nella centrale termoelettrica per produrre l’energia elettrica ( 0.16 km / kg) assorbita dal
pantografo del veicolo.
Le valutazioni sui costi energetici sono fatte a pari prezzo del combustibile di 1 Euro per Kg, anche se la
nafta con densità 0.9 - 0.96 a 15 °C usata in centrale termo elettrica può avere un prezzo inferiore.
Il passeggero che deve raggiungere le stazioni di partenza e arrivo del treno, deve considerare un aggravio di
tempo di circa 20 minuti per svolgere la propria attività.
La missione per i treni interregionali su un percorso di 200 - 300 km viene fatta sulla linea ferrata alla
velocità massima di 160 km/h dove possono considerarsi rallentamenti per fermate intermedie ogni 25-35
km, per questo la velocità media risulta di circa 100 km/h.
L’indagine è svolta al fine di definire il costo per km del treno interregionale TAF formato da 2 motrici e 2
rimorchi che rappresenta quanto di più innovativo si trova nel parco europeo.
In seconda istanza si considera il costo unitario per passeggero poiché il treno trasporta 475 passeggeri seduti
e dovrà essere confrontato con gli altri mezzi di trasporto che percorrono un eguale chilometraggio con
eventuale diversi tempi di percorso e numero di persone.
L’ammortamento del treno TAF è valutato al 5 % per il periodo di 10 anni, anche se il dimensionamento del
veicolo è fatto per una vita di 30 anni e viene utilizzato su linee secondarie dopo circa 10 anni di servizio.
Il costo d’esercizio è valutato considerando i costi diretti propri del treno come i costi energetici, la
manutenzione, il ricovero, l’assicurazione e i costi indiretti in funzione dei percorsi annui dovuti all’utilizzo
del mezzo su una determinata tratta.
Le infrastrutture considerate nel percorso sono 12 stazioni di fermata a 4 scambi fra due binari di una linea a
doppio binario, 12 sottostazioni di conversione per l’energia elettrica, 1 deposito per convogli con officina di
manutenzione riparazione del materiale rotabile, 300 km di linea a doppio binario con una topografia di
media difficoltà.
L’indagine economica viene fatta su una vita del treno interregionale ad alta frequentazione di 30 anni in cui
si considerano i costi di ammortamento, di esercizio e il costo energetico, ponendo un percorso annuo di
200.000 km.
Il costo di esercizio si riferisce sia al veicolo ( 2Motrici + 2Rimorchiate ) per quanto riguarda i costi diretti
energetici, di manutenzione e di riparazione, sia i costi indiretti come i prezzi per l’esercizio delle
infrastrutture, dove incide l’ammortamento, la manutenzione e l’esercizio del personale e gli utili
dell’investitore.
L’ammortamento delle infrastrutture viene fatto per un periodo di 80 anni all’interesse del
5 %
considerando che la linea di 300 km sia percorsa da 20 treni interregionali il giorno, mentre per le stazioni di
25
fermata, le sottostazioni di alimentazione dell’energia elettrica e i depositi si valuta un impegno giornaliero
di 150 treni.
Il comfort dei treni ad alta frequentazione è definito dalla linea percorsa e dalle caratteristiche del veicolo
come la geometria strutturale e le rigidezze e smorzamenti delle sospensioni, pertanto ha una risposta
soggettiva di 2.9 con un range abbastanza ampio da 1.7- 4.8 forse dovuto al tipo di linea
Il treno ad alta frequentazione ha le minori sollecitazioni tra i vari mezzi di trasporto, una velocità di rollio
media 0.025 rad/sec e beccheggio 0.017 rad/sec, le accelerazioni verticali 0.3 m/sec2 e laterali 0.29 m/sec2.
La rumorosità ha un valore medio di 70.4 dB, il migliore tra tutti i mezzi di trasporto terrestri ed aerei dovuto
alle buone linee e al buon isolamento dei motori di trazione, in prevalenza elettrici e perciò con una sorgente
di rumorosità limitata, non secondarie sono le limitate velocità di esercizio comunque superiori all’autobus.
Nel peggiorare il valore della rumorosità, comunque buona, può giocare un elevato coefficiente di resistenza
aerodinamico del veicolo, dovuto in particolare alle resistenze indotte dalla lunghezza del treno, che
determina una maggiore rumorosità ed aumentati valori dei consumi energetici.
costo del treno interregionale
9,53
5,7
10
1,3
2,53
esercizio
energetico
euro/km 5
0
totale
ammortamento
1910000
2000000
1140000
1500000
510000
euro/anno 1000000
260000
500000
0
totale
ammortamento
esercizio
energetico
0,02
0,02
0,012
0,015
euro/km x persona
0,005
0,01
0,003
0,005
0
totale
ammortamento
26
esercizio
energetico
27
CONCLUSIONI
Una prima indagine dei vari veicoli può essere svolta considerando il Fattore d’Accrescimento, rapporto tra
la massa del veicolo vuoto e il carico utile.
Questo Fattore ha due valenze, una tecnica ed un’economica, la prima valenza tecnica ha maggiore
importanza poiché dice della bontà del progetto, tanto minore è il Fattore d’Accrescimento tanto minore è la
massa strutturale del veicolo a pari carico utile trasportato.
La seconda valenza economica afferma che la massa del veicolo può essere correlata con l’investimento,
mentre il carico utile può essere correlato con gli introiti.
Da questa globale valutazione possiamo affermare che la progettazione delle auto e autobus hanno i fattori
d’Accrescimento mediamente del medesimo valore e di bassa entità rispetto ai treni, dimostrando una minore
massa a pari carico utili trasportato, una maggiore ricerca, l’industrializzazione dei mezzi e una conseguente
vita ridotta, non secondario nell’elevato peso del veicolo ferroviario giocano sicurezze ridondanti o poste sul
veicolo che potrebbero essere poste a terra.
Se si entra nello specifico dell’economia dei veicoli si possono avere tre scenari tra loro collegati che
evidenziano le quote d’investimento, i costi d’esercizio e noti questi valori gli utili che può ricaricare
l’investitore.
1 ) Definito il costo totale in Euro per chilometro è possibile valutare le spese che l’investitore deve
sostenere per l’utilizzo del veicolo per ciascun chilometro, su un determinato percorso, durante un anno o
nell’intera vita del veicolo.
2 ) Definito il costo totale in Euro per anno è possibile valutare le spese che l’investitore deve sostenere per
l’utilizzo del veicolo durante un anno o nell’intera vita del veicolo.
3 ) Definito il costo totale in Euro per chilometro e per persona è possibile valutare il costo del biglietto che
deve essere pagato su un dato chilometraggio, sul quale ricaricare le spese d’amministrazione e gli utili
dell’investitore.
Considerando il costo in Euro/km si ha il seguente scenario, il treno ad alta frequentazione risulta il più
costoso, mentre il costo dell’auto e autobus sono molto simili 0.71 Euro per ogni chilometro di percorso
dell’autobus e 0,6 per l’auto.
Il treno ad alta frequentazione
(9.53
Euro / km )
Autobus
(0.71
Euro / km )
Auto
(0,6
Euro / km )
La seconda valutazione è fatta confrontando la gradualità del costo in Euro / anno che permette di avere una
visione di spesa su cui ricaricare le spese d’amministrazione e l’utile dell’investitore.
28
Il treno ad alta frequentazione
(1.91x106 Euro per anno)
Autobus
(0.11x106 Euro per anno)
Auto
( 9000
Euro per anno)
Da questa graduatoria risulta il maggior costo dei veicoli ferroviari seguiti dagli autobus e l’auto, che ha il
minimo valore di costo per anno.
Volendo fare un confronto globale tra i vari veicoli considerando i costi totali, evidenziamo i costi iniziali e i
costi d’esercizio in Euro / km, per i km percorsi durante la loro vita e pertanto si ha questo nuovo scenario.
Veicolo
Treno ad alta frequentazione
Costo iniziale in
Costo d’esercizio in
Costo totale in
Euro
Euro
Euro
7 x 10
6
=
64,18 x 106
0.71 x 1.5 x 106 =
1,21 x 106
9,53 x 6 x 10
6
57,18 x106
Autobus
0.25 x 106
0.96x106
Auto
0,6 x 1,5 x 105 =
20.000
110.000
0,9 x 105
I costi totali in Euro per km e per persona ( considerando i mezzi occupati al 100 % ) sono necessari per
definire su un determinato percorso ( km ) il costo del biglietto, nel quale oltre al costo del mezzo deve
essere caricato il costo d’amministrazione e l’utile dell’investitore.
Il nuovo scenario per veicolo risulta:
Autobus
( 0,0129
Euro per km e per persona )
Il treno ad alta frequentazione
( 0,020
Euro per km e per persona )
Auto
( 0,564
Euro per km e per persona )
I costi degli autobus per km e per persona sono i più bassi tra i tre mezzi di trasporto
I costi dei treni per km e per persona sono al secondo posto, ma potrebbero avere costi ancora ridotti se
fosse ridotta la vita operativa, in tal caso il peso del mezzo sarebbe inferiore e si avrebbero quote
d’ammortamento e d’esercizio inferiori agli attuali.
L’auto pur con velocità commerciali buone è la più costosa su percorsi di 200 - 300 km, il costo è 28 volte
superiore al treno e 44 volte superiore all’autobus.
29
Il costo per chilometro dell’auto è di 0,59 Euro/Km, per cui con una percorrenza annua di 15.000 km, il costo
annuale è di 8.850 Euro, valore con il quale si potrebbe comperare una nuova auto di limitata cilindrata.
Il passeggero che viaggia per lavoro dove il tempo impiegato per il trasporto ha un suo valore, può utilizzare
tale mezzo.
Ad esempio su un percorso di circa 300 km come potrebbe essere il Milano - Firenze il costo del biglietto è
di 3.87 Euro per l’autobus e di 6 Euro per il treno ad alta frequentazione, sempre considerando i mezzi
occupati al 100%.
Mentre l’auto con tale percorrenza non risulta conveniente rispetto a tutti gli altri mezzi, per l’elevato costo
d’investimento ed il limitato numero di passeggeri trasportati, il costo per persona su tale chilometraggio è di
169,2 Euro, può avere un’utilità per persone operative dove il tempo ha un suo valore, poiché potrebbe
giungere in tempi ridotti al luogo prefissato.
COMPONENTI DELL’AUTO
In figura 1 si evidenziano i componenti di formazione principali dell’auto.
Figura 1
30
DIMENSIONI, CAPIENZE E PESI
Le AUTO hanno sostanzialmente dimensioni geometriche d’ingombro, numero di passeggeri, pesi a
vuoto ed a carico, potenze variate sia che si tratti di auto per lo svago, il trasporto al lavoro o
specializzate per determinati luoghi o per competizione.
Il vano bagaglio normalmente è nella parte posteriore dell’auto ma si possono avere anche soluzioni
col bagaglio anteriore o misto anteriore posteriore , i passeggeri sono da un minimo di 2 a 7 compreso
il guidatore, le potenze installate varino da un minimo di circa 60 Cv per le auto più piccole fini ai
660Cv per le auto sportive o di lusso. L’indirizzo progettativo porta ad avere strutture portanti
differenti nel caso di veicoli di limitate dimensioni a veicoli da turismo o da competizione, ma sempre
tali da tutelare la sicurezza dei passeggeri. In alcuni casi si hanno auto particolari di limitate
dimensioni tipo Smart , normalmente usate in città, che pertanto non vengono illustrate, anche se con
un peso non trascurabile sull’ordine dei 750 – 1000 kg e potenze variabili dalle 60 ai 105 Cv, potenze
che in parte giustificano l’utilizzo anche per trasferimenti extra urbani, mentre le urbane hanno pesi
ridotti a 350 kg e potenze di 5,5 Cv. Riassumendo le varie caratteristiche delle AUTO, con delle
variazioni di peso a vuoto da circa 1000 a 2500 kg, sono:
FIAT PANDA
1.2Pop
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
31
3,65
1,64
1,55
225/870
1242
4
benzina
51/69(5500)
10,4(3000)
Anteriore
164
19,2
4
865
1235
FORD FIESTA
1.2 16V Ikon 3p
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
FIAT PUNTO
1.2Pop 3p
32
3,95
1,72
1,48
281/965
1242
4
benzina
44/60(6000)
11,1(3600)
anteriore
152
18,2
5
966
1416
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
4,06
1,69
1,49
275/1030
1242
4
benzina
41/69(5500)
10,4 (3000)
anteriore
155
19,2
5
1015
1465
ALFA ROMEO
1.4 Turbo MultiAir Distinctive
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
33
4,06
1,72
1,45
270
1368
4
benzina
125/170(5000)
18,3(1750)
B
207
17,8
4
1135
1505
BMW
116i Joy
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
4,32
1,76
1,42
360/1200
1598
4
benzina
100/136(4400)
22,4(1350)
posteriore
210
18,2
5
1290
1790
ALFA ROMEO
34
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
LANCIA
1.4 T-Jet Steel
35
4,351
1,798
1,465
350
1750
4
Benzina
173/235 ( 5500 )
300(4500)
Anteriore
242
13,2
5
1320
1820
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
4,52
1,80
1,50
380/760
1368
4
benzina
88/120(5000)
21,0(1750)
Anteriore
195
15,2
5
1320
1820
RENAULT
1.6Wave
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm (giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
36
4,56
1,84
1,64
564/2063
1598
4
Benzina
81/110(6000)
15,4(4000)
Anteriore
185
13,0
7
1430
2090
HYUNDAI
1.6 GDi Classic
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
CITROEN
1.6VTi CMP-6 Seduction
37
4,77
1,82
1,47
505
1591
4
benzina
99/135(6300)
16,8(4850)
Anteriore
197
15,6
5
1455
1955
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm (giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
4,78
1,86
1,46
467
1598
4
benzina
88/120(6000)
16,3(4250)
anteriore
198
16,1
5
1466
1966
CHEVROLET
6.2Coupè ZR1
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
38
4,44
1,84
1,24
634
6162
4
benzina
476/647(6500)
83,4(5800)
Posteriore
330
7,3
2
1507
1807
HYUNDAI
2.0 CRDi VGT 4WD Comfort
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
MERCEDES
500 BlueEFFICIENCY Sport
39
4,66
1,89
1,73
774/1582
1995
4
diesel
110/150(4000)
33,0(2000)
Posteriore
182
15,2
5
1719
2269
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
5,10
1,87
1,42
490
4663
8
Benzina
320/453(5250)
71,5(1995)
posteriore
250
10,5
4
1995
2415
MERCEDES
350 BlueTEC SW 7G-Tronic
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Bagagliaio
Cilindrata
Numero cilindri
Alimentazione
Potenza
Coppia
Trazione
Velocità massima
Consumi
Posti
Peso a vuoto
Peso a carico
m
m
m
litri
cm3
kW/ Cv (giri )
Kgm(giri)
Km/h
Km/litro
Kg
Kg
40
4,66
1,76
1,95
480/2250
2987
6
Diesel
155/210(3800)
55,0(1600)
Intera
175
8,9
5
2607
3107
Consumo
Urbano 1/1 00 km
Extraurbano V100 km
Ciclo misto (in 1110 km)
Capacità del serbatoio in I (circa)
Prestazioni
Velocità massima in km/h
Accelerazione 0-100 Km/h in secondi
Peso
Massa a vuoto UR in kg*
Massa complessiva in kg
Carico utile in kg
Carico sull’asse anteriore e posteriore
Dati del motore
Cilindri e valvole per cilindro
Cilindrata in cm3
Corsa e alesaggio in mm
Regime nominale in kw – Cv - giri/ minuto
Coppia massima in daNm a giri/ minuto
Rapporto di compressione / 1
Cerchi
Dimensione pneumatici anteriori
Dimensione pneumatici posteriori
Dimensioni e materiali ruote anteriori
Dimensioni e materiali ruoteposteriori
13,2
8,3
10,1
236
235
6,8
2155
2835
680
1285 – 1550
6/4
2979
89,6 – 84
225 – 306/5800
40/1200 – 5000
10,2
255/55 R 18
255/55 R 18
8,5 J x 18’’, lega leggera
8,5 J x 18’’, lega leggera
*La Massa a vuoto UR in kg sono compresi il carburante al 90% il guidatore 68 kg con 7 kg di bagaglio
41
Consumo
Urbano 1/1 00 km
Extraurbano V100 km
Ciclo misto (in 1110 km)
Capacità del serbatoio in I (circa)
Prestazioni
Velocità massima in km/h
Accelerazione 0-100 Km/h in secondi
Peso
Massa a vuoto UR in kg*
Massa complessiva in kg
Carico utile in kg
Carico sull’asse anteriore e posteriore
Dati del motore
Cilindri e valvole per cilindro
Cilindrata in cm3
Corsa e alesaggio in mm
Regime nominale in kw – Cv - giri/ minuto
Coppia massima in daNm a giri/ minuto
Rapporto di compressione / 1
Cerchi
Dimensione pneumatici anteriori
Dimensione pneumatici posteriori
Dimensioni e materiali ruote anteriori
Dimensioni e materiali ruote posteriori
8,8
6,8
7,5
85
250
5,4
2225
2905
680
1340 - 1565
6/4
2993
90 – 84
280 – 381/4000
74/ 2000 – 3000
16
255/50 R 19 107W
285/45 R 19 111W
9 J x 19’’, lega leggera
10 J x 19’’, lega leggera
*La Massa a vuoto UR in kg sono compresi il carburante al 90% il guidatore 68 kg con 7 kg di bagaglio
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Carichi verticali
Il dimensionamento strutturale dell’auto è fatto considerando i carichi verticali, le forze di curva e di
frenatura proprie dell’esercizio del veicolo, in unione a queste condizioni è pure valutata la resistenza
strutturale in caso di ribaltamento laterale dell’auto ed eventuali urti.
Figura 1
Al fine di dimensionare la struttura portante dell’auto bisogna trovare le reazioni in corrispondenza
all’asse anteriori e posteriore, considerando i carichi concentrati come il motore, il giunto idraulico se
esiste, il cambio, il ponte posteriore, l’asse anteriore, il banco di manovra, il serbatoio combustibile,
l’impianto di condizionamento, le porte d’entrata o uscita, i passeggeri ed i carichi che si possono
considerare distribuiti come l’impianto elettrico, l’impianto idraulico o pneumatico, la struttura, i
rivestimenti interni.
I calcoli vengono fatti considerando l’auto in ordine di marcia con i lubrificanti per il motore e le
trasmissioni, come il cambio ed il ponte, l’acqua per l’impianto di raffreddamento ed il pieno del
serbatoio per il combustibile. Successivamente i calcoli di verifica vengono fatte considerando il totale
dei passeggeri ed il carico massimo del bagagliaio ( figura 2).
Figura 2
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Note le reazioni Ra sull’asse anteriore e Rb sull’asse posteriore è possibile definire gli sforzi di taglio
e il momento flettente cui l’intera struttura è soggetta per il dimensionamento delle varie parti.
i
Ra = Σ qi d1i / p
1
Dove (d1i) sono le distanze tra le varie masse (qi) dalla reazione Rb
i
Rb = Σ qi * d 2 i / p
1
Dove (d2i) sono le distanze tra le varie masse (qi) dalla reazione Ra
Le distanze (d1i) e (d 2 i) devono essere prese in senso positivo o negativo a seconda che si consideri
come riferimento l’asse anteriore o posteriore.
Il dimensionamento strutturale è fatto considerando oltre ai carichi statici a veicolo carico ( scorte,
combustibile, passeggeri ) gli incrementi per le azioni dinamiche verticali.
In figura 3 si evidenziano i molti carichi concentrati di un’auto che possono essere presi in
considerazione, ma per non rendere il calcolo complesso oltre una normale valutazione dei carichi più
consistenti si è soliti a raggruppare i carichi secondari e mediamente distribuiti, come la struttura ,
l’impianto elettrico, ecc.
Figura 3 – Carichi concentrati
In figura 4 si evidenzia un calcolo di una struttura auto fatta per l’Austin A 35 del peso in ordine di
marcia di 510 Kg e del carico massimo complessivo di 884 Kg.
I carichi concentrati sono il bagagliaio ( 50Kg ), il guidatore e passeggero anteriore ( 182 Kg ), i due
passeggeri posteriori ( 182 Kg ) e i vincoli posteriore ( 38 Kg ) e anteriore ( 74 Kg ) della sospensione
del motore, mentre tutti i rimanenti carichi lungo l’asse X sono considerati distribuiti per un valore di
125 Kg/ cm .
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Figura 4 – Carichi concentrati e distribuiti lungo l’asse X e lungo l’asse Y
I carichi concentrati e distribuiti, considerati lungo l’asse X determinato i diagrammi di taglio in Kg e
momento flettente in Kgm, ma poiché esistono pure i carichi variamente concentrati lungo l’asse Y, si
hanno i momenti torcenti Kgm lungo la struttura del veicolo.
Le tensioni complessive che devono essere considerate sia per i carichi statici valutati con opportuni
coefficienti di sicurezza rispetto ai limiti elastici del materiale di costruzione della scocca e
considerando i probabili cicli dinamici di curva, frenatura e disuniformità stradali a cui il veicolo sarà
sottoposto per le verifiche rispetto al limite di fatica del materiale
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Sforzi di frenatura
Le frenature possono essere di mantenimento a velocità costante, di rallentamento e d’arresto.
L’esigenza che un veicolo possa essere frenato con la massima decelerazione possibile in ogni
condizione di carico utilizzando la massima aderenza del pneumatico-strada deve essere compatibile
con l’esigenza che non giungano al bloccaggio le ruote anteriori prima delle posteriori, almeno fino ad
un valore del coefficiente d’aderenza pari a 0.8, sia a minimo che a massimo carico.
Lo spazio ( s ) di frenatura d’arresto ( vedi figura 5 ) è dato considerando le varie decelerazioni ( a ) da
1 a 10 m/sec2, da una velocità iniziale ( V ) con un ritardo di tempo in ( tr ), dove la velocità rimanga
costante nel tempo, risulta:
s = V tr + V2/2
Figura 5
Il ritardo totale ( tr ) è la somma dell’intervento del guidatore ( trg ), del tempo di reazione del
guidatore ( tga ), del tempo d’azionamento del comando da parte del guidatore e dal tempo
d’intervento dell'apparato frenante ( tii ).
Si può considerare che durante l’intervallo ( tii ) si passi con legge lineare dal valore zero al valore di
regime della forza frenante, pertanto si ha:
tr = trg + tag + tii/2
In definitiva gli spazi ( s ) di frenatura totale, indicati in figura 5, si hanno considerando i ritardi totali
( tr ), la velocità d’inizio frenatura ( V ) e la decelerazione di frenatura ( a ).
Considerando decelerazioni minime di 1 m/s2 e massime di 10 m/s2 è possibile valutare le forze agenti
sul pneumatico di un auto..
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Figura 6
La forza di frenatura F agente nel baricentro Cg determina un sovraccarico sulle ruote anteriori e uno
scarico sulle ruote posteriori Fh / p mentre sulle ruote anteriori e posteriori al contatto con la strada
agiscono le forze frenanti Fa e Fp (Figura 6).
La forza di frenatura necessaria F = - P sen α - Ri dove (P) è il peso totale del veicolo, (α) è l’angolo
della superficie stradale rispetto all’orizzontale, (Ri) la resistenza totale all’avanzamento.
La resistenza totale all’avanzamento Ri tiene conto delle resistenze di rotolamento (Rr) e delle
resistenze aerodinamiche (Ra), quindi la resistenza totale in frenatura:
Ff = P ((a/g) - sen α - Rr ) - Ra
Dove:
( a ) è la decelerazione in fase di frenatura, che può variare da zero fino ad un valore massimo di 10
m/s2, tanto maggiore risulta la decelerazione sulle ruote tanto maggiore sono le forze che sono
trasmesse alla struttura tramite la sospensione verticale e il collegamento longitudinale.
( g ) è l’accelerazione di gravità uguale a 9.81 m/s2
Per ragioni di sicurezza nella norma si trascurano le resistenze di rotolamento (Rr) e le resistenze
aerodinamiche (Ra), che riducono gli spazi di frenatura.
La resistenza totale in frenatura Ff = Fa + Fp è data dalle forze al contatto strada - pneumatico delle
ruote anteriori (Fa) e posteriori (Fp), ma queste forze dipendono dai carichi verticali (Va) e (Vp)
agenti sulla ruota e dal coefficiente d’aderenza (µ).
In questo caso devono essere soddisfatte le relazioni
Fa = Va µ
Fp = Vp µ
e
Va = P d1 / p + F h / p
dove:
Vp = P d2 / p - F h / p
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Vedi figura 6, con:
p= passo del veicolo in m
d1 = distanza del baricentro dall’asse posteriore in m
d2 = distanza del baricentro dall’asse anteriore in m
Le forze di frenatura sull’assile anteriore Fa e posteriore Fp risultano:
Fa = ( P d1/p + F h / p ) µ
Fp = ( P d2/p - F h / p ) µ
La variazione di carico in frenatura è proporzionale al peso del veicolo (P) gravante sull’asse
posteriore e anteriore, incrementato dalla forza di frenatura (F) nel rapporto h/p sull’asse anteriore e
ridotto del medesimo rapporto sull’asse posteriore.
Per avere soddisfacenti condizioni di frenatura alle varie condizioni di carico del veicolo e aderenza si
utilizzano dispositivi che variano le modalità di ripartizione della frenatura, tra l’asse anteriore e
posteriore.
Nei casi in cui le forze necessarie alla frenatura non siano sufficientemente create dal sistema di
frenatura si usano dei servo freni che aumentano lo sforzo frenante.
Sforzi in curva
Le sollecitazioni a cui un auto è soggetto in curva sono create dalla forza centrifuga che si genera in
curva di minimo raggio.
Il minimo raggio percorso in curva dall’auto dipende da alcune grandezze geometriche come la
larghezza, la lunghezza ed il passo, non trascurabili sono lo sbalzo anteriore e posteriore per non
interferire con la larghezza della strada, tuttavia il definire il raggio minimo dipende dall’angolo di
sterzata delle ruote anteriori.
L’auto sottoposta ad una forza centrifuga, ha un limite superiore dovuto al ribaltamento verso
l’esterno che si determina quando la forza centrifuga agente nel baricentro del veicolo ha un momento
di ribaltamento rispetto alla ruota esterno curva superiore al momento stabilizzante dovuto al peso
proprio, sempre rispetto al contatto pneumatico - strada della ruota esterno curva.
La verifica di questo limite deve essere fatto ai limiti estremi di peso dell’auto con veicolo scarico e
carico, anche perché la posizione del baricentro in altezza cambia.
Una seconda verifica deve essere fatta tenendo conto del coefficiente d’attrito laterale e torsionale del
pneumatico sulla strada, anche in questo caso oltre che dalle condizioni di veicolo carico o scarico
dipende dal coefficiente d’attrito variabile in funzione del tipo di strada e dalle condizioni
meteorologiche che determinano l’attrito secco o bagnato.
Se questi sono i limiti per un dimensionamento strutturale dell’auto non bisogna trascurare che i
passeggeri, per non essere affaticati oltre il dovuto, non devono essere soggetti in tutte le curve ad
accelerazioni centrifughe superiori a 1- 1.2 m/s2.
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Figura 7 -Reazioni verticali R sulle ruote a causa della forza centrifuga Fc
Condizioni di ribaltamento
La forza centrifuga agente nel baricentro del veicolo è uguale a:
Fc = P V2 / g r
dove :
P = la massa del veicolo nelle varie condizioni di carico in kg
V = velocità massima in curva di minimo raggio in m/s
g = accelerazione di gravità in m/s2
r = il raggio di curva in m
R = ± Fc h / s
Affinché non si verifichi il ribaltamento del veicolo com’è visibile in figura 7 il momento rispetto al
punto A al contatto pneumatico strada
( ( P / 2) - R ) s
deve essere maggiore o uguale a
Fc h
( P s / 2 ) - R s • Fc h
Introducendo il valore della forza centrifuga Fc si determina la velocità massima al limite del
ribaltamento che aumenta al crescere della carreggiata (s) e al diminuire dell’altezza del baricentro (h).
Vmax = (g r s / (2 h) ) 0.5
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Da questa relazione, a pari raggio di curva ( r ) e scartamento ruote (s ), si evidenzia che le auto
sportive che portano il guidatore nella parte bassa del veicolo hanno velocità massime in curva
superiori dei veicoli tradizionali .
Condizioni di stabilità allo strisciamento
Le resistenze tangenziali d’attrito f P/4 nei punti di contatto dei pneumatici con la strada che si
oppongono allo strisciamento del veicolo verso l’esterno della curva sottoposto alla forza centrifuga
Fc .
La condizione di stabilità allo strisciamento verso l’esterno curva è soddisfatta facendo l’equilibrio tra
la forza centrifuga e l’attrito ruota - strada dell’intero veicolo.
Fc = f P
Da cui introducendo il valore della forza centrifuga si ottiene la velocità massima allo strisciamento :
Vmax = (f g r) 0.5
Eguagliando le due condizioni di stabilità allo strisciamento e ribaltamento si ha f g r = s g r / 2 h
per cui l’attrito ruota – strada per eguagliare il ribaltamento deve risultare:
f=s/2h
Dato che all’incirca per le auto, con valori medi di h = 0,7 m e s = 1,6 m, l’attrito ruota – strada
risulta:
f = s / 2 h = 1,6 / 2 x 0,7 = 1,14
la velocità massima allo strisciamento risulta inferiore a quella di ribaltamento.
Nelle auto fuori strada dove il baricentro è uguale a circa 0,7 m e può arrivare fino a 0,9 - 1 m le due
condizioni di strisciamento e ribaltamento tendono a peggiorare o comunque si hanno velocità
inferiori e più pericolose nelle condizioni di ribaltamento .
Nel caso d’auto, in alcuni casi bastano accelerazioni centrifughe di 2.6 m/s2 per ribaltare, condizioni
che non vengono raggiunte anche per non affaticare oltre il dovuto il passeggero che sopporta
mediamente accelerazioni massime di circa 1 -1,2 m/s2 .
In questo caso è bene disporre di barre antirollio per non ridurre ulteriormente le velocità di
ribaltamento con un rollio verso l’esterno curva dell’auto.
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Nella tabella seguente illustriamo per auto con varie caratteristiche di peso in ordine di marcia di
1000, 1500, 2000, 2500 kg, dimensioni geometriche, raggio minimo di sterzata ed angolo di sterzata
delle ruote, attrito ruota – strada uguale a f = 0,6, le velocità e accelerazioni di ribaltamento, da
confrontarsi con le velocità ed accelerazioni allo strisciamento, da cui si evidenzia una maggiore
pericolosità per le condizioni di strisciamento.
AUTO
Peso in odm
Kg
1000
1500
2000
2500
Peso max
Kg
1400
1950
2500
3000
m
3,8
4,2
4,5
4,9
Larghezza max
m
1,6
1,8
1,9
2,1
Altezza max
m
1,5
1,6
1,7
1,8
Altezza baricentro ( h )
m
0,7
0,75
0,8
0,85
Carreggiata minima
m
1,6
1,8
1,9
2,1
Passo
m
1,9
2,7
3
3,1
Raggio min sterzata ( r ) m
2,95
4,2
4,66
4,82
Lunghezza max
40
40
40
40
1,45
1,65
1,7
1,9
Attrito ruota - strada ( f )
0,6
0,6
0,6
0,6
Velocità al ribaltamento
Vr = 3,6 ( s g r / 2h ) 0.5 km/h
Accelerazione di ribaltamento
in m/s2
ar = ( Vr/3.6 )2 / r
Velocità allo strisciamento
km/h
Vs = 3,6 ( f g r)0.5
Accelerazione allo strisciamento
in m/s2
as = ( Vs/3.6 )2 / r
19,7
24,2
25,01
26,15
10,16
10,78
10,35
10,94
15
17,9
18,84
19,16
5,9
5,9
5,9
5,9
Angolo ruote sterzate gradi
Scartamento ruote
(s) m
Aumentando l’attrito ruota – strada da f = 0,6 le condizioni di velocità di curva e di accelerazione
aumentano, ma per evidenziare una eguale pericolosità con le condizioni di ribaltamento bisogna che
le velocità aumentino del 30 – 35%.
Condizioni di comfort per il passeggero in curva
Al fine di non sollecitare il passeggero oltre i limiti fisiologici in ogni curva di piccolo o grande raggio
è bene non sottoporre il passeggero ad accelerazioni centrifughe superiori a 1 m/s2 , pertanto
correliamo ai vari raggi di curva le velocità massime delle auto.
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