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Articoli - Archivio

01/03/2016
UNA BUCA PIENA DI . . . ENERGIA!

Sospensioni

 

Convertire i movimenti delle sospensioni in energia elettrica utile per diminuire i consumi: l’idea è tutt’altro che peregrina, anzi, è piuttosto promettente

Nicodemo Angì

Il lavoro delle sospensioni è tanto incessante e poco visibile quanto utile: esse infatti garantiscono il comfort dei passeggeri e la tenuta di strada dei veicoli grazie ai movimenti delle ruote rispetto alla carrozzeria. La combinazione di elementi elastici – molle, barre di torsione, elementi pneumatici – con dispositivi smorzanti permette alle ruote di rimanere sempre a contatto con il terreno mentre la carrozzeria e i passeggeri al suo interno vengono isolati dalle asperità. Dal punto di vista energetico gli elementi elastici dissipano pochissima energia ed è per questo che devono essere affiancati dagli ammortizzatori: se questi ultimi non disperdessero l’energia meccanica accumulata dalle molle, la sospensione tornerebbe al punto di riposo per poi alzarsi con un movimento pendolare controproducente sia per il comfort sia per l’handling del veicolo.

L’energia meccanica derivata dal movimento relativo delle sospensioni rispetto alla carrozzeria viene quindi dissipata in calore: se una piccola parte “riscalda” gli elementi elastici (molla, barra di torsione o l’aria delle molle pneumatiche), boccole e snodi dei braccetti, la maggior parte si disperde negli ammortizzatori proprio perché essi nascono con questo scopo.

 

Smorzare e produrre (elettricità)

Negli elementi smorzanti si ha quindi la conversione dell’energia meccanica in calore in un processo che senza costrutto disperde l’energia nell’atmosfera, situazione che vuole essere rivoluzionata da sistemi di energy harvesting, traducibile liberamente con “mietitura dell’energia”. In questo campo appaiono promettenti gli studi sulla conversione dell’energia meccanica in elettrica, un processo che permette un facile immagazzinamento dei “frutti” della trasformazione.

Tutto si basa su una proprietà fondamentale dell’elettromagnetismo, formalizzata dalla Legge di Faraday – Neumann – Lenz: in un avvolgimento conduttore immerso in un campo magnetico variabile si crea elettricità. Questo effetto, verificabile facilmente collegando una bobina di filo a un tester e avvicinando e allontanando una calamita alla bobina stessa, è anche reversibile, nel senso che immettendo elettricità in una bobina si crea un campo magnetico che può interagire con quello di un magnete, generando una forza. Ma una corrente che circola in una bobina crea a sua volta un campo magnetico, il cui verso è contrario a quello creato dal magnete: non può che essere così, perché altrimenti si creerebbe energia dal nulla e sappiamo che il moto perpetuo è impossibile. Gli altoparlanti sono un esempio di questo tipo di azione: la bobina è attaccata alla membrana ed è immersa nel campo generato da magneti permanenti: immettendo nella bobina la tensione dell’amplificatore si crea un campo magnetico variabile che, combinandosi con quello del gruppo magnetico, crea una forza che fa muovere la bobina e quindi la membrana dell’altoparlante. Anche i motori elettrici sfruttano fenomeni di interazione fra campi magnetici per far girare un rotore, convertendo energia elettrica in meccanica.

 

Sospensioni regolabili

Le sospensioni a recupero di energia usano meccanismi di questo tipo: ZF Friedrichshafen e Levant Power, per esempio, stanno studiando un interessante sistema che sfrutta la pressione che si crea nell’olio degli ammortizzatori quando essi vengono compressi. Il fluido passa attraverso una speciale valvola rotante che non solo ne regola il flusso ma converte la sua pressione in un movimento circolare che aziona un generatore elettrico. In effetti, ricordando quanto detto più sopra, se la “macchina elettrica” funziona da generatore esso assorbe energia meccanica e la sua rotazione incontra più resistenza rispetto a quando non genera elettricità: esso quindi produce elettricità a spese dell’energia cinetica delle sospensioni che vedono quindi smorzato il loro movimento in “maniera produttiva”. Dato che il generatore può funzionare anche come motore, esso può far muovere la Activalve (è questo il suo nome) in modo da variare lo smorzamento dell’ammortizzatore, coniugando il comfort con la tenuta di strada. Più simile al funzionamento di un altoparlante è il brevetto depositato da Intetronic Gresser, un’azienda tedesca che ha concepito un “ammortizzatore” che prevede un sistema di smorzamento idraulico che agisce in tandem con un sistema elettromagnetico. Il primo usa un pistone immerso nell’olio: il suo movimento fa circolare il fluido e il tasso di smorzamento dipende da valvole controllate elettronicamente che lasciano più o meno “libertà” all’olio. Questa regolazione interviene però soltanto se il sistema elettromagnetico non è sufficiente: in condizioni medie si preferisce infatti far lavorare questo, che prevede un magnete permanente, collegato con lo stelo, che scorre in mezzo a bobine di filo conduttore. Questo movimento relativo genera una corrente (è come un altoparlante che vede la sua membrana muoversi per una forza esterna), eventualmente immagazzinabile in batteria o utilizzabile per le utenze di bordo, e anche in questo caso questa produzione avviene a spese dell’energia meccanica, per un’azione smorzante simile a quella di un fluido.

Altre sperimentazioni sono condotte da team del college Virginia Tech e della Stony Brook Universiti, diretti da Lei Zuo; essi sono partiti da un dato importante: il carburante consumato da un’auto per vincere la resistenza dell’aria e l’attrito con l’asfalto è soltanto il 12/16% del totale, il resto essendo perso in calore e altri sprechi. Uno dei brevetti depositati riguarda un sistema con magneti permanenti che scorrono dentro bobine un cilindro ricoperto di, con un meccanismo simile a quello già visto. L’altro ha l’aspetto di un comune ammortizzatore – è stato concepito per il montaggio in retrofit - ma al suo interno ci sono una cremagliera e un gruppo d’ingranaggi che trasformano il movimento lineare della cremagliera in una rotazione che attiva un generatore rotante, per una produzione di circa 80W.

 

Fra poco sul mercato

Questi temi interessano già i costruttori: gli impianti elettrici a 48 Volt (ne abbiamo parlato nel n° 6/2015 di Pneurama) si prestano bene a questo impiego e Audi ha già annunciato che la prevista elettrificazione della sua gamma (qualcosa si vedrà già quest’anno) arriverà anche al reparto sospensioni. Il suo sistema eAWS, ElectroMechanical Active Roll Stabilization, prevede di dividere a metà le barre antrirollio; le estremità delle semi-barre sono collegate a ingranaggi epicicloidali a tre stadi azionati da un motore elettrico che può applicare una coppia fino a 1.200 Nm. Nella guida “disimpegnata” il gruppo è bloccato e le due semi barre lavorano come se fossero unite insieme – formando così la classica barra antirollio - privilegiando in questo modo il comfort. Se si cerca un’andatura sportiva il motore elettrico applicherà torsioni opposte che “alzeranno” le ruote esterne alla curva abbassando quelle interne (la correzione è applicata indipendentemente all’anteriore e al posteriore), con il risultato di un assetto piatto. Il sistema lavora anche come generatore: il movimento della sospensione fa girare il motore elettrico (nella marcia a bassa velocità o in rettilineo, quando non è richiesta la funzione antirollio) che agisce così come produttore di energia: Audi dichiara che nella marcia costante su terreno accidentato il fabbisogno energetico dell’eAWS potrebbe in pratica annullarsi. Diverso e potenzialmente più efficiente nella generazione di energia elettrica è l’eROT (electromechanical rotary damper), che sostituisce gli ammortizzatori: gli scuotimenti delle sospensioni mettono in rotazione, tramite una robusta leva e degli ingranaggi, macchine elettriche che possono funzionare da generatori. La loro potenza media è di 150 W, ottenuta mediando il minimo dei 3 watt prodotti sulle lisce autostrade tedesche con i 613 watt di una strada dissestata: anche se non sembra molto, quest’energia può diminuire le emissioni di CO2 di circa 3 g/km.

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