Corso di Sistemi di Trazione Lezione 1: introduzione al corso A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015

I membri dello staff Adriano Alessandrini e-mail: adriano.alessandrini@uniroma1.it Fabio Cignini e-mail: fabio.cignini@uniroma1.it Carlos Holguin e-mail: carlos.holguin@ctl.uniroma1.it Daniele Stam e-mail: daniele.stam@uniroma1.it

Ubicazione delle stanze Piano quinto dall’ascensore esterno Ascensore esterno Ingegneri Alessandrini, Cignini Holguin, Stam tel. 0644585148 CTL

Orari ed aule per le lezioni Ricevimento Su appuntamento concordato al telefono o via e-mail adriano.alessandrini@uniroma1.it Modalità di svolgimento dell’esame L’esame si tiene previo appuntamento preso direttamente con il Professore nei periodi previsti alla fine delle lezioni Orari ed aule per le lezioni 2 Marzo – 30 Maggio Lunedì 15:45-17:15 aula 12 Mercoledì 08:30-10:00 aula 16 Venerdì 08:30-10:00 aula 47* (* Aula Leuzzi, piano 4° ascensore esterno)

Dispense e materiali didattici Tutte le informazioni saranno disponibili al sito: http://www.ingmecc.uniroma1.it/ Sono costituiti da: lucidi proiettati a lezione alcuni approfondimenti presi da libri articoli su riviste scientifiche lavori originali di staff e studenti Saranno reperibili: presso il CTL inviabili per e-mail e reperibili sul sito (quelle in formato elettronico)

Obiettivo della lezione Obiettivi del corso di Sistemi di Trazione Argomenti Obiettivo della lezione Obiettivi del corso di Sistemi di Trazione Obiettivi del laboratorio di Sistemi di Trazione Programma delle lezioni Definizioni di: accessibilità; mobilità; modo di trasporto; sistema di trasporto (e le sue caratteristiche); e traffico.

Obiettivi della lezione Presentare il corso di Sistemi di Trazione Presentare il laboratorio di Sistemi di Trazione Definire gli obiettivi e le finalità del corso Fornire alcune definizioni fondamentali per il prosieguo del corso. Sfatare alcune credenze abituali in termini di mobilità (es. che aumentare la velocità in autostrada ne aumenti la capacità) Stabilire i presupposti scientifici su cui costruire le conoscenze necessarie per conoscere la mobilità e comprendere i ruoli che gli ingegneri possono avere nella progettazione e gestione della mobilità

Obiettivi del Corso di Sistemi di Trazione Sviluppare alcune conoscenze di base connesse con: la mobilità, i suoi impatti, i sistemi tradizionali ed innovativi per mitigare gli impatti e tecniche e tecnologie per la progettazione e la gestione dei sistemi avanzati Costruire le conoscenze necessarie per conoscere la mobilità e comprendere i ruoli che gli ingegneri possono avere nella gestione della mobilità

Obiettivi del laboratorio di Sistemi di Trazione Approfondire le conoscenze acquisite durante il corso di Sistemi di Trazione Attività pratiche ed esercitazioni riguardanti alcuni argomenti del corso scelti e concordati dallo studente con il professore sulla base delle proprie preferenze. Argomenti tipici sono: Analisi dei dati acquisiti durante i dimostrativi di sistemi di trasporto automatizzato su strada del progetto “CityMobil2”. Analisi costi-benefici per sistemi di trasporto a chiamata progetto SmartBus-L’Aquila. Confronto di prestazioni, consumi ed emissioni inquinanti fra automobili ibride e convenzionali. Analisi costi e benefici nell’uso di veicoli ibridi per la distribuzione delle merci. Modelli di logica di controllo per powertrain ibridi (termici-elettrici), installazioni e misure al “banco freno”. Scelto l’argomento, attraverso un proposta scritta sottoposta al professore, e sostenute le esercitazioni organizzate in base all’argomento, lo studente dovrà redigere un rapporto tecnico e fare una breve presentazione alla fine del lavoro. Esercitazioni e Verifica dell’idoneità del laboratorio

Programma delle lezioni Parte prima - La mobilità e i suoi impatti Parte terza – I sistemi di trazione ferroviari Introduzione al corso: definizioni, obiettivi e programmi. Contatto ruota-rotaia. Consumi ed emissioni degli autoveicoli. Carrelli rigidi e sterzabili, sospensione. Resistenze al moto dei veicoli, richiami dei principi della dinamica applicati ai veicoli. Sistemi di propulsione e frenatura. La frenatura pneumatica in ferrovia. I sistemi di trasporto a guida vincolata schemi funzionali consumi, emissioni e costi. Parte quarta – I sistemi avanzati di trazione Veicoli di trasporto innovativi: veicoli elettrici, veicoli ibridi e i combustibili alternativi. Influenza di traffico e guidatore su consumi ed emissioni: stile di guida, concetti e regole di eco-driving. I sistemi avanzati di trasporto: trasporto a domanda. Le esternalità della mobilità: l’incidentalità, il rumore, il consumo di spazio, la perdita di tempo. Sistemi di trasporto innovativi e benefici possibili: BRT, PRT, CTS, Car-Sharing ed altri. I metodi di riduzione degli impatti della mobilità. Il monitoraggio delle flotte: Infomobilità, tecnologie per il monitoraggio energetico ambientale e tecnologie per la manutenzione dinamica della flotta. Parte seconda – I sistemi di trazione attuali su strada Moto degli autoveicoli e prestazioni. Consumi ed emissioni degli autoveicoli: quantificazione delle emissioni del singolo veicolo (piani quotati e modelli). Analisi costi-benefici di sistemi di trasporto. Powertrain, cambi di velocità. Gli pneumatici: tipologie e caratteristiche costruttive, acquaplaning, fenomeno della deriva. Moto degli autoveicoli, aderenza e frenatura. Caratteristiche costruttive delle sospensioni. Sterzatura cinematica e handling.

Definizione di accessibilità Accessibilità (in inglese Accessibility o Access) è la capacità di raggiungere quei beni, servizi, attività e destinazioni (genericamente definiti opportunità – opportunities in inglese) che si desidera raggiungere. Esempi: una scaletta consente l’accessibilità dei ripiani alti della cucina; un negozio consente l’accessibilità ai beni lì venduti; una biblioteca, il telefono o internet consentono l’accessibilità dell’informazione; il sistema dei trasporti (ad esempio un’automobile sull’autostrada, una bicicletta su pista ciclabile o il treno sulla rete ferroviaria) consente l’accessibilità al luogo di lavoro.

Il legame dell’accessibilità con mobilità e trasporto Perché dovendo parlare di mobilità e di trasporto si parte dalla definizione di accessibilità? Perché l’accessibilità è la causa prima della totalità degli spostamenti esclusi quelli in cui il movimento sia fine a se stesso (fare una regata in barca a vela, montare un cavallo, fare jogging, …). Altri spostamenti ricreativi, quali raggiungere un campeggio o un hotel invece, concernono l’accessibilità delle strutture ricreative. I cittadini hanno diritto all’accessibilità e non, come molti sostengono, alla mobilità.

Definizioni di mobilità, spostamento e modi di trasporto Quando per accedere ad un’opportunità è necessario un movimento fisico (ad esempio di una merce che venga consegnata a domicilio o di una persona che si rechi in un negozio) si parla di mobilità La mobilità è la possibilità o l’obbligo di spostamento dato ad un singolo individuo, ad un gruppo o a delle merci In particolare ogni singolo viaggio (di una persona o un’unità di merce) si definisce spostamento Il modo con cui si effettua lo spostamento si definisce modo di trasporto: pedonale, bicicletta, moto, auto (genericamente definiti individuali e privati) e bus, metro, tram, treno (genericamente definiti collettivi e pubblici). L’accessibilità non comporta mobilità quando si accede all’opportunità in questione per via telematica o altra via che non comporta lo spostamento fisico di persone o cose

Definizione di Sistema di Trasporto Perché si effettui uno spostamento secondo un dato modo di trasporto deve essere disponibile il relativo sistema di trasporto In una metropolitana la metro stessa è un sistema di trasporto con infrastrutture, veicoli e sistemi di comunicazione dedicati Altri modi di trasporto (promiscui) possono condividere le infrastrutture (es. la rete stradale) o i sistemi di segnalamento (es. la segnaletica orizzontale e verticale) Ogni sistema di trasporto ha tre componenti imprescindibili: veicoli, infrastrutture, ed i sistemi di segnalamento (o più in generale per lo scambio di informazioni).

Caratteristiche dei sistemi di trasporto Sistema di guida libera vincolata automatica Sistema di trazione Produzione energia e motore a bordo Produzione energia a terra e motore a bordo Produzione energia e motore a terra Sistema di marcia a vista controllata

I concetti fondamentali che caratterizzano un sistema di trasporto Velocità commerciale Distanziamento in tempo in spazio Frequenza Capacità Portata

Definizione di velocità commerciale In cui Vc= Velocità commerciale (km/h) D = Distanza percorsa (km) tp = tempo di marcia(s) tf = somma dei tempi di fermata (s)

Definizione di distanziamento in tempo: è il tempo che intercorre tra il passaggio delle teste di due veicoli (convogli) successivi per una stessa sezione in spazio è la distanza tra la testa del veicolo (convoglio) precedente e la testa del seguente

Legame tra distanziamento in tempo e in spazio Direzione di avanzamento L pL S0 In cui h = minimo distanziamento in tempo (s) v0 = velocità di avanzamento (km/h) pL + S0= minimo distanziamento in spazio (m)

Criteri di sicurezza per il distanziamento Brick wall stop impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere se il veicolo (convoglio) precedente ha un arresto istantaneo Decelerazione di emergenza fissata impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere se il veicolo (convoglio) precedente ha un arresto con decelerazione di emergenza fissata Decelerazione del veicolo precedente nota impone un distanziamento sufficiente ad arrestarsi senza collidere con il veicolo (convoglio) precedente decelerando con uguale decelerazione

Valori di S0 con i 3 criteri In cui tr = tempo di reazione (s) d = decelerazione del veicolo seguente (m/s2) dm = decelerazione massima assunta per il veicolo precedente (m/s2)

Applicazione del BWS in ferrovia Direzione del moto S0 A B C D 1 2 3 4 VERDE via libera GIALLO iniziare frenatura per arrestarsi al prossimo segnale 1° ROSSO frenatura automatica 2° ROSSO sezione occupata

Applicazione del BWS in ferrovia con stazione Il secondo treno può entrare in stazione Tempo T=Ta Ripartenza primo treno T=0 Arrivo primo treno in stazione 1 2 3 4 A B S0 C Stazione D Direzione del moto

Distanziamento in ferrovia all'approccio in stazione In cui T = tempo di fermata in stazione (s) a = accelerazione del veicolo alla ripartenza (m/s2) K = coefficiente di sicurezza (solitamente 1.35 - 1.5)

Definizione di frequenza Si definisce frequenza (f) il numero di veicoli (convogli) che transitano per una data sezione nell’unità di tempo. Tipicamente è espressa in veicoli/ora. In cui t = distanziamento in tempo (s)

Definizione di portata Si definisce portata (P) di un sistema di trasporto di massa il numero di persone trasportate nell’unità di tempo. Tipicamente è espressa in passeggeri/ora (p/h). In cui Np = Numero di passeggeri per carrozza p = Numero di carrozze per convoglio

Definizione di capacità Si definisce capacità (C) di un sistema di trasporto di massa la massima portata che questo può smaltire

Confronto delle capacità con i 3 criteri di sicurezza per una metro

Confronto delle capacità con i 3 criteri di sicurezza per l’autostrada

Definizione di arco stradale Porzione della rete stradale di lunghezza definita Non ha un limite massimo di lunghezza Può avere forma e pendenza qualunque

118353, 118368: numeri identificativi di due archi stradali Il tratto di tangenziale Est di Roma da cui provengono le misure sperimentali 118353, 118368: numeri identificativi di due archi stradali

Definizione di densità di traffico Densità di traffico di un arco stradale nx = numero di veicoli che si trovano sull’arco x = lunghezza dell’arco Si esprime in veh/m o veh/km

Definizione di flusso di traffico Flusso di traffico su un arco stradale n = numero di veicoli che transitano in un corrispondenza di punto dell’arco in un intervallo di tempo Δt Si esprime in veh/h

Definizione di velocità media del flusso Velocità media del flusso di traffico su un arco stradale si esprime in km/h

Densità flusso e velocità del traffico graficamente

Il traffico sul GRA di Roma Densità - 65 veh/km/ln 13 veicoli su 200 m Flusso: n° di veicoli che transitano in una sezione nell’ora

Metodo impiegato per la misura della curva di deflusso sperimentale sull’arco 118368 della Tangenziale EST di Roma Si è posto un sensore in corrispondenza della sezione mediana dell’arco in osservazione La velocità media del flusso è misurata come media delle velocità istantanee dei veicoli che transitano in corrispondenza di tale sezione Il flusso di veicoli è dato dal numero di veicoli che transitano in un’ora in corrispondenza di tale sezione

La relazione tra flusso e velocità media misurata sperimentalmente sull’arco 118368 della Tangenziale EST di Roma

Nella curva sperimentale si osservano 3 zone distinte: Considerazioni sulla relazione tra flusso e velocità media misurata sperimentalmente Nella curva sperimentale si osservano 3 zone distinte: - 0 ≤ U ≤ 40 km/h: flusso congestionato - 40 < U < 60 km/h: zona transitoria - U ≥ 60 km/h: flusso libero Nella zona transitoria si ha bassa densità di rilevazioni: il flusso passa “velocemente” da libero a congestionato e viceversa

Il decadimento della velocità media del flusso nel passaggio di stato

Conclusioni I concetti definiti in questa lezione ci aiutano a capire che: l’insieme degli spostamenti di persone e merci costituisce la mobilità; si deve garantire ai cittadini l’accessibilità ai beni ed ai servizi e non la mobilità; i sistemi di trasporto, anche quelli che offrono modi individuali e privati, sono composti dell’insieme composto dai veicoli, le infrastrutture ed i sistemi per lo scambio di informazioni; chi tampona in strada ha sempre torto perché la distanza di sicurezza è definita nel codice della strada secondo il criterio del Brick Wall Stop; aumentare la velocità di un flusso di traffico diminuisce la capacità della strada se si rispetta la distanza di sicurezza; superata la massima capacità di una sezione stradale anche un solo veicolo in più induce la congestione del traffico.