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Funzionamento cambio ibrido
#1
IL CVT della Prius

Si possono trovare molti riferimenti che la Prius è dotata di un CVT, che genericamente vuol dire "Continuously Variable Transmission" (Cambio Variabile Continuamente). La Toyota chiama il cambio della Prius "ECVT" che significa "Electrically Controlled Variable Trasmission" (Cambio Variabile Controllata Elettricamente). Quindi è variabile continuamente o no? Vedremmo più avanti che la risposta non è ne si ne no. I CVT ci sono da una vita e inizialmente non sembra che la Toyota abbia fatto una grande invenzione. Queto, però, è totalmente falso, perché la ECVT della Prius funziona in un modo totalmente diverso da qualsiasi altro CVT installato in una vettura in produzione. È così diversa, che chiamarla CVT confonde. Però, usando questo termine familiare spiega parzialmente perché il suono del motore non sale man mano che la vettura prende velocità.

Cambio automatica convenzionale
Un cambio automatico convenzionale selezione da un numero di rapporti fissi tra l'entrata (il motore) e l'uscita (alle ruote). in marcia bassa, il regime del motore è ridotto verso le ruote così può dar potenza ad un'auto che va piano mentre il motore gira abbastanza veloce per sviluppare la coppia necessaria. Man mano che l'auto accelera, il motore accelera con esso, facendo il rumore che tutti noi conosciamo. Ad un certo punto, in base a quanto si accelera, l'autista, o il cambiuo stesso, cambia marcia al prossino disponibile. Il regime del motore cade o poi riprende a salire man mano che l'auto guadagna velocità. In questo modo, lavoriamo attraverso tutte le marcie, tenendo il motore ad un regime che da la potenza che abbiamo bisogno alla velocità che stiam facendo senza evitando i fuorigiri del motore stesso.

Oltre che ridurre la rotazione da motore a ruote, le marcie basse moltiplica la coppia del motore nella stessa proporzione. Ecco perché l'accelerazione è miglore nelle marcie basse e cala quando noi (o il cambio) cambia le marcie nei rapporti superiori. Per avere la migliore accelerazione, un pilota di gara ritarda il passaggio finché il motore non raggiunge la linea rossa, un regime di rotazione oltre a quel punto farà patire il motore. Il 0-100 pubblicato nelle caratteristiche della vettura è raggiunto usando lo stesso principio e il tempo sarebbe ben peggiore se il pilota non tirasse il motore ai suoi limiti.

Un vero CVT
Più rapporti abbiamo, più scelte abbiamo in fissare il regime giusto alla velocità voluta. Questo ci permette di avere potenza quando richiesto facendo girare in alto il motore e di tenere una velocità di crociera economica abbassando il regime del motore e ridurre le perdite associate alle parti interne del motore in movimento. Un CVT convenzionale ha rapporti infiniti (o un numero veramente alto). Egli selezionaun rapporto che può trasmettere alle ruote la potenza richiesta del conducente, ma tiene il regime del motore basso per migliorare l'economia e lunghezza vitale del motore stesso. Man mano che la vettura aumenta di velocità, il cambio cambia il rapporto con uno leggermente più lungo.Il risu;ltato è che il ritmo del rumore rimane quasi costante e l'accelerazione è liscia e non a scatti, visto che allungando il rapporto diminuisce l'effetto della coppia sulle ruote.

I vantaggi del CVT (selezione del rapporto migliore in tutti i casi per bilanciare brillantezza ed economia) sono messi in contrasto dall'efficenza e problemi di affidabilità. Le corone dentate, efficenti e durature, la base dei cambi normali, non possono essere usate. Invece, ci vuole un gioco di puleggie e cinghie con un meccanismo che varia il diametro dove la cinghia passa attorno alla puleggia.

Il cambio della Prius
Il Cambio della Prius produce uno degli effetti del CVT ma non i difetti. Si può elezionare il regime del motore per produrre la potenza richiesta ma oltremodo non troppo veloce per non compremettere l'efficenbza del motore. La tonalità del motore della Prius quindi suona come se la macchina fosse dotata di CVT perché non aumenta con la velocità della macchina. Inceve, esso aumenta e scende in base alla richiesta di potenza, in altre parole, quanto duro pesti sull'acceleratore. Il cambio della Prius non deve, tralaltro, moltiplicare la coppia del motore a basse velocità. Questo perché ha solo un rapporto. In effetti, il motore è legato alle ruote come se l'auto fosse sempre nel suo rapporto superiore. Questo potrebbe essere un handicap molto serio, se non ci fosse la presenza di un potente motore elettrico in aggiunta al motore termico. Con questo motore che aggiunge una coppia considerevole, persone hanno dichiarato che sembra che l'auto sia sempre in prima!

Power Split Device


Il componente centrale del cambio della Prius è in ingranaggio epicicloidale che la Toyota chiama "Power Split Device" (PSD). Questo tipo di ingranaggio è anche conosciuto come "Sole e satelliti" dato che consiste di un numero di ingranaggi satelliti che circondano un ingranaggio "sole". I satelliti sono su assi fissate al "portasatelliti" che gira sulla stessa asse del sole. A differenza dei veri satelliti, esse sono della stessa grandezza a alla stessa distanza dal centro di rotazione. I satelliti sono circondati da un anello con denti all'interno che si chiama corona. Anche la corona gira nello stesso asse come tutto il resto.

Il motore della Prius (ICE) è collegato al portasatelliti. Mentre gira, i satelliti tendono a spingere sia la corona che il sole (l'ingranaggio centrale) nella stessa direzione del portasatellite. Grazie all'attenzione nella scelta della grandezza (e quindi dei numeri di denti) la Toyota ha fatto in modo che il 72% (veramente 2,6 su 3,6) della coppia va alla corona e il 28% (veramente 1 su 3,6) va al sole. Questo è dura da visualizzare, quiindi pensate a una barra dritta linga 3,6 metri che viene usata come leva. Ogni estremità è su una bilancia e tu stai in piedi a 2,6 metri da una estremità: la bilancia più vicino a te registra il 72% del tuo peso corporeo mentre la bilancia più lontata misura il restante 28%. Il treno epicicloidale ottiene lo stesso effetto con la pressione rotativa, cioè la coppia.

Adesso abbiamo capito come la coppia dell'ICE è divisa nelle due direzioni. La Corona, che riceve la parte maggioe, è collegata attraverso i soliti riduttori finali al differenziale e quindi alle ruote. È così che il ICE spinge l'auto. Il sole, che riceve la parte inferiore della coppia, è collegato ad un motore elettrico chiamato MG 1.

Per il momento, dimentichiamo che il MG 1 può funzionare anche da motore e immaginate che funziona da generatore. Il ICE che muove il portasatelliti fa girare il MG 1, Un computer aggiusta la potenza elettrica richiesta dal MG 1 in modo che la forza generativa bilancoa la forza generata dal ICE. Quindi, il ICE spince l'auto con il 72% di coppia e un generatore con il 28% di coppia. Troveremo un uso per quest'elettricità più tardi.

Infine, dobbiamo capire che la corona e il sole, entrambi spinti dall'ICE con una frazione fissa della coppia, solo liberi di girare a regimi differenti. Sebbene ci sia una fissa relazione matematica tra i loro regimi e il regime dell'ICE, uno può accelerare mentre l'altro deve rallentare senza cambiare il regime di ritazione dell'ICE. Ritorniamo alla nostra staffa da 3,6 metri. Toglietelo dalle bilancie e chiedi a due amici di tenere le estremità. Spingi la leva a 2,6 metri da una estremità. Un amico sente 72% della tua forza mentre l'altro amico il 28%. Ora se spingi così tanto che non riescono a stare in piedi, o uno o tutti e due devono arretrare per permetterti di avanzare. Loro possono scegliere a che velocità arretrare indipendentemente tra di loro. Per esempio, uno può star farmo mentre l'altro fa tutto l'arretramento. Con una piccola levaquesta visualizzazione non ti porta lontano dal tuo punto di partenza, ma il nostro treno epicicloidale funziona nello stesso modo senza limiti. se la corona non si muove,il sole assorbe tutte le rotazioni dei satelliti girando più velocemente.

Questo è il nostro indizio come il treno epicicloidale permette la modularità del regime di rotazione dell'ICE proprio come un CVT. Data una qualsiasi velocità stradale, il computer calcola la velocità della corona. Dalla richiesta di potenza, decide il regime di rotazione dell'ICE. Poi fa una semplice equazione matematica per capire a che velocità MG! deve girare. Poi, regola la potenza succhiata dall'MG 1 per accelerare o rallentare il ICE fin quando la condizione richiesta è ottenuta. Nulla du questo varia il fatto che il 72% della coppia del ICE è inviata verso le ruote. La vettura può essere ferma e questa coppia verrà trasmessa alle ruote. Permettendo all'ICE di avanzare l'auto da fermo in questo modo, possiamo quindi fare a meno di una frizione o convertitore di coppia., di fatto eliminando un componente grosso e consumabile del cambio.

L'ultimo passo è quello di trovare un uso dell'elettricità generata da MG 1. un secondo motore elettrico chiamato MG 2 è collegato alla corona del PSD e aggiunge la sua coppia a quella fornita dall'ICE. Quindi, la forza che sembrava andasse persaè in realtà dirottata intorno al PSD meccanico da un percorso elettrico e infine finisce lo stesso ad muovere le ruote.Infatti, la potenze dell'ICE è divisa (dal PSD, ovviamente), parte segue un persorso meccanico attraverso la corona e parte segue il percorso elettrico tramite il sole, MG 1, il controllo elettronico e verso MG 2. La corona e MG 2 avanzano le ruote assieme attraverso il rapporto finale e il differenziale.

Anche se possimo glissare su questo argomento per ora, per capire completamente il cambio della Prius dobbiamo prendere in considerazioneche la suddivisione della potenza tra la parte meccanica e la parte elettrica non è fissa, come lo è per la coppia. La potenza è il prodotto tra la coppia e il regime di rotazione,quindi la potenza che passa in ogni direzione dipende dai giri al minuto relativi del MG 1 e MG 2. Potete vedere frasi all'effetto che il 72% della potenza va direttamente alle ruote e il 28% è convertito in elettricità. Questo non è corretto. La coppia è suddivisa in questo rapporto, ma la suddivisione della potenza è variabile, un dato di fatto usato a vantaggio dal computer che controlla il motore.



Sempre nel rapporto più alto

Abbiamo scoperto prima come il cambio della Prius yusa un treno epicicloidale, un generatore e del controllo elettrinico per regolare il regime di rotazione del motore senza l'utilizzo di ingranaggi a cascata o di un CVT convezionale. Abbiamo anche scoperto che una proporzione fissa (circa72%) della coppia dell'ICE è trasmessa meccanicamente alle ruote. Senza la capacità di poter cambiare il rapporto tra l'ICE e le ruote, non possiamo moltiplicare la coppia dell'ICE per ottenere una forte accelerazione alle basse velocità. Anche se abbiamo risolto il problema di permettere all'ICE di girare confortevolmente quando l'auto si muove pianissimo, l'accoppiameto equivale ad essere sempre nel rapporto più alto!

Questo problema è stato già parzialmente risolto mandando la corrente generata dal MG 1 direttamente al MG 2 che aggiunge coppia a quella prodotta dall'ICE. I motori elettrici non hanno lo stesso problema dei motori a scoppio che non possono generare coopia a bassi regimi. Infatti, in queste situazioni essi generano la maggior coppia. Se facciamo dirare il ICE a, diciamo, 2000 gir, con la macchina che si muove appena, molta potenza passa da ICE al MG 1. Infatti, finché la macchina noin inizia a muoversi, tutta la potenza va a MG 1. Anche se MG 1 si prende solo il 28% della coppia, sta ricevendo TUTTO il movimento. Dato che il MG 2, collegato alle ruote, non sta girando velocemente, non ha bisogno di molta potenza per generare tutta la sua coppia. La Prius Può lanciarsi da fermo ad una accelerazione rispettabile fino a circa 15 km.h usando la potenza dell'ICE che passa principalmente da MG 1 a MG 2. Solo un quinto della coppia passa direttamente attraverso il percorso meccanico in questa fase di accelerazione iniziale.


Rimpicciolendo il motore (downsizing)

A circa 15 km/h, la Prius non può più mantenere l'accelerazione che si aspetta usando solo la potenza del suo piccolo ICE, che è stato studiato per le sue basse emissioni e non per potenza. Man mano che aumenta la velocità, il MG" necessita di più potenza per mantenere la sua coppia e raggiunge velocemente il regime di potenza massima dove la coppia inizia a calare. Toyota ha fatto il MG 2 così ha abbastanza potenza per mantenere l'accelkerazione dell'auto ad un livello accettabile, ma da dove viene la potenza elettrica supplementare? Ma dalla batteria, ovviamente! Il MG 1 non passa più corrente direttamente al MG 2 come bbiamo ipotizzato sopra. L'elettronica di controllo include un aggeggio che si chiama "Inverter" che converte la potenza generata in corrente diretta di parecchie centinaia di volt. Questo è collegato alle batterie. Un secondo inverter per il MG 2 prende la potenza richiesta dalla batteria per spingere il MG 2 ad accelerare l'auto. Se MG 1 non produce quel che MG 2 necessita, la differenza viene dalle batterie. In altre occasioni quando l'auto è in velocità di crociera, la potenza in eccesso dal MG 1 viene deviata nelle batterie per ricaricarle. Questa sovvracarica dalle batterie è quello che permette ad un'auto da 1300 chili che avrebbe bisogno di un motore da oltre 100 Cv e un cambio manuale, di ottenere prestazioni accettabili con un motore da 70 Cv e nessun cambio.

Ringrazio Graham Davies per il suo contributo per il materiale in questa pagina. (Link originale morto)
Yes AKA The Tramp, fiero d'aver creato il Hybrid Synergy Forum con Lily in Agosto 2007 Yes
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#2
Bellissima spiegazione.
Grazie, come sempre Tramp è generoso ed esaustivo.
Albetobia, Fiero membro del Hybrid Synergy Forums dal Nov 2007.


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#3
Grazie mille Tramp. Spiegazione chiarissima e comprensibile nonostante tratti di argomenti abbastanza impegnativi per un pubblico non tecnico

D I B D A B D U
[nell' HSF da Natale '07 e Priussista dal 05-ago-2008]

Per 8 mesi ho guidato Focus 1.8Tdci 115cv consumando Spritmonitor.de.

Per 16 mesi ho guidato Prius 2 consumando Spritmonitor.de.

In 70.000 km di Prius ho risparmiato 770 litri di carburante rispetto al naftone, cioè -48 lt/mese!
Oltre 50 euro di risparmio ogni mese, 600 euro l'anno! non male no?
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#4
Lo sapevo che questi giapponesi si erano inventati l´impossibile. Un ringraziamento anche da parte mia.
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#5
Cavoli Tramp, veramente interessante, anche se ho fatto parecchia fatica per capire credo il 15% di quello che c'è scritto. Dovrò studiarlo con più calma...Hmm

Grazie! BlehBlehBleh
Trigone, Fiero di essere membro del Hybrid Synergy Forums dal Aug 2007.
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#6
OTTIMA LA SPIEGAZIONE E LO SCHEMA ILLUSTRATIVO
sierra67, Fiero di essere membro del Hybrid Synergy Forum dal Apr 2008.
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#7
tramp!!! che dire!!! sei un grande!!! mi stupisci sempre di piu!!!

YesYesYesYes

Thums upThums upThums upThums up

mi ero perso questo messaggio e l'ho visto oggi!!!!

eccellente!!!!!!!!!

Thums upThums upThums upThums upThums up

la toyota dovrebbe riconoscere la estrema serieta' di questo forum nella diffusione di cultura sulla prius!!!!!

YesYesYesYes
ciao
SmileSmileSmile

Stratocaster

Fiero di essere membro del Hybrid Synergy Forums dal Aug 2007 e possessore della
GRANDE MAGICA PRIUS!!!
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#8
Anche se la spiegazione è stata molto chiara, credo che un animazione potrebbbe rendere ancora più esplicito il concetto soprattutto per i neofiti come me ... Rolleyes
Non ho capito bene poi come si combinano l'MG 2 e l'ICE nel muovere la corona e quindi (attraverso i differenziali) le ruote.
Forse sto chiedendo troppo, ma mi piacerebbe assai avere ancora più chiaro il meccanismo.
David, proud to be a member of Hybrid Synergy Forum since Jul 2009.
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#9
Prova un po' in questa discussione
e se ancora non ti convince prova a fare questo bel giochino.....

Bleh

D I B D A B D U
[nell' HSF da Natale '07 e Priussista dal 05-ago-2008]

Per 8 mesi ho guidato Focus 1.8Tdci 115cv consumando Spritmonitor.de.

Per 16 mesi ho guidato Prius 2 consumando Spritmonitor.de.

In 70.000 km di Prius ho risparmiato 770 litri di carburante rispetto al naftone, cioè -48 lt/mese!
Oltre 50 euro di risparmio ogni mese, 600 euro l'anno! non male no?
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#10
Non so se era già stato postato questo link:
http://eahart.com/prius/PSD/
mi sembra molto chiaro.
David, proud to be a member of Hybrid Synergy Forum since Jul 2009.
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