tram e trasporto pubblico a Roma

Sistemi di trazione

Motore a combustione interna e trasmissione elettrica

 

Trazione anteriore o posteriore, trasmissioni, differenziale meccanico o elettrico

Le notizie date in questo articolo vanno prese con beneficio di inventario, vista la generale confusione che regna nella letteratura dell'epoca su questo ed argomenti affini, ad esempio nella distinzione tra trazione elettrica e trasmissione elettrica; non è raro che uno stesso rotabile sia dato di un tipo da una fonte e dell'altro tipo da altra fonte. Oltre a ciò, alcuni dispositivi proposti dai geniali inventori dell'epoca, quali Kriéger e Balachowsky, sono complessi e per essere capiti a fondo necessitano conoscenze di elettrotecnica non alla portata di tutti gli autori, col risultato che su molte questioni anche fondamentali si sorvola o si danno notizie incomplete se non errate*.

Quando gli inventori di fine Ottocento si resero conto delle possibilità del motore a combustione interna, vollero subito applicarlo alla trazione, specie a quella su strada ordinaria (sulla rotaia solo un folle avrebbe pensato di sostituire la locomotiva a vapore, macchina perfetta per eccellenza, con una specie di carretta di recente invenzione...) e lo fecero seguendo la via che avevano seguito col vapore: restarono subito delusi, quando si accorsero che se tra motore e ruote motrici non si interponeva qualcosa capace di cambiare i termini del problema, coppia motrice e velocità, le cose non potevano andare; oltre a ciò, il motore a combustione interna aveva la fastidiosa prerogativa di non riuscire ad avviare un rotabile da fermo, occorreva prima avviarlo a vuoto e poi trasmettere in qualche modo il movimento alle ruote. Ecco quindi la nascita di cambio e frizione, due elementi che sarebbero rimasti caratteristici della trazione su strada ordinaria con motore a combustione interna fino ai nostri tempi. Ma cambio e frizione erano allora ingombranti, pesanti e di non facile manovra, molto più di quanto lo siano adesso e, visto che l'elettrotecnica prometteva al momento molte e quasi meravigliose applicazioni, perchè non servirsene per far fuori i due fastidiosi accessori? Ecco quindi una miriade di trasmissioni elettriche, alcune geniali e altre fallimentari in partenza, che si possono distinguere in due categorie secondo il principio di funzionamento:

  1. il motore termico aziona una dinamo, la corrente generata dalla quale aziona direttamente uno o più motori elettrici di trazione;
  2. lo stesso schema ma con l'aggiunta di un accumulatore inserito tra dinamo e motori;
  3. con una sola macchina in funzione di dinamo o motore e un accumulatore in un sistema a recupero di energia.

Qui nel seguito trattiamo di alcune soluzioni delle categorie a) e b); nella categoria c) l'unico sistema che ebbe un certo seguito nonostante gli evidenti difetti e una notevole complicazione fu il Pieper.

Trasmissione Kriéger, 1900

Louis Antoine Kriéger (Parigi, 1868–1951). Nel 1894 avviò la costruzione di veicoli elettrici, successivamente fondando la Societe des Voitures Electriques Systeme Kriéger (1898) e producendo numerosi modelli a trazione puramente elettrica, ossia con motori alimentati da accumulatori montati stabilmente sul rotabile. La possibilità di adottare, come motore primario, un motore a combustione interna ed utilizzare una trasmissione elettrica per azionare le ruote motrici fu dimostrata dal Kriéger nel 1900, presentando un veicolo a trazione termo-elettrica nel 1903.

Sono sviluppati due modelli base: nel primo, adatto per automobili da turismo, i motori elettrici azionano le ruote anteriori (direttrici), mentre nel secondo, previsto per veicoli da trasporto, azionano le ruote posteriori.

Telai Kriéger per vettura da turismo (a) e per veicolo da trasporto (b).
M, motore termico; D, dinamo; E, motori di trazione; T, carter per la trasmissione.


Schema di principio dell'apparecchiatura elettrica dei rotabili.
Non sono indicati gli invertitori di marcia e il dispositivo per il collegamento serie-parallelo dei motori.

Il generatore è una dinamo ad eccitazione contro-compound, dotata cioè di un campo derivato (1) normalmente collegato alle spazzole (ved. figura) e di un campo serie (2) che genera un flusso discordante da quello generato dal derivato, con la conseguenza di mantenere, a velocità costante, il flusso totale pressocchè costante quale che sia la corrente erogata dalla macchina e di conseguenza la potenza fornita ai motori di trazione. Il sistema permette la regolazione della velocità del veicolo agendo solo sull'alimentazione del motore termico e sull'eccitazione serie mediante il reostato R derivato sul relativo avvolgimento; i motori di trazione sono normalmente collegati in parallelo, ma possono essere collegati in serie in caso di forti pendenza; è possibile la frenatura elettrica reostatica. Sullo schema si nota anche un terzo avvolgimento di eccitazione (3) alimentato da un piccolo accumulatore A; dovrebbe dare la possibilità di avviare il motore termico facendo funzionare la dinamo da motore; l'accumulatore si ricaricherebbe poi durante la marcia del veicolo in serie ad una resistenza. Non sembra che questa disposizione abbia dato buoni risultati, visto che in molte realizzazioni l'accumulatore risulta soppresso e l'avviamento del motore si ottiene a mano.

Trasmissione Balachowsky e Caire, 1903-07

Dmitry Balachowsky (Kiev, ?-Parigi, 1952), Philippe Caire. E' del 1900 o del 1903 la prima sperimentazione dell'invenzione, successivamente perfezionata: il B. costituì nel 1912 una società per la fabbricazione di veicoli da trasporto e trattori, che ebbe breve vita, chiudendo nel 1914.

Nel principio di funzionamento il sistema è simile al Kriéger. I motori, in numero di due o più, sono montati direttamente sulle ruote motrici; un induttore a poli salienti, fisso sul fuso, è contenuto entro un indotto mobile solidale alla ruota con un collettore in forma di cilindro cavo, sulla superficie interna del quale scorrono le spazzole fisse. La dinamo è autoregolatrice contro-compound, con un sistema inventato dal Balachowsky con due gioghi di spazzole, uno fisso sulla linea neutra e l'altro che può assumere una posizione angolare compresa tra 0 e 90° rispetto al primo; la regolazione si ottiene collegando il campo serie tra i due gioghi e per ogni posizione del giogo mobile si ha una caratteristica di regolazione e quindi una velocità del veicolo.

Non è chiaro come funzioni il sistema di regolazione Balachowsky. Fino all'invenzione dei poli ausiliari, per ridurre le scintille al collettore si usava spostare le spazzole in avanti (dinamo) o a ritroso (motore) rispetto della linea neutra; qui l'inventore sembra voler utilizzare lo spostamento delle spazzole per variare l'uscita della dinamo e il collegamento del campo serie tra le due coppie di spazzole dovrebbe evitare le scintille al collettore.

Telaio Electromotion, 1908

Nel 1908 appare un telaio chiamato Electromotion che applica la trasmissione Balachowsky ad un motore a combustione interna Westinghouse da 24 HP, presumibilmente a benzina, accoppiato ad una dinamo da 30 kW che alimenta a 500 V (?) i motori di trazione contenuti nei mozzi delle ruote posteriori; la dinamo ha l'induttore calettato sull'albero motore del motore termico e ruota esternamente ad un indotto fisso.


Telaio Electromotion e motore Westinghouse.

Nota. - Sotto lo stesso nome sembra essere esistito anche un rotabile senza motore termico, con alimentazione da accumulatori.

Trasmissione Garcin e Renault, 1904

Della Société de la Voiture Bouquet, Garcin et Schivre.

Si tratta di una trasmissione ad albero cardanico e differenziale alle ruote motrici posteriori, applicata dapprima ad alcuni veicoli della Société d'électromobiles; l'albero di trasmissione è collegato ad un motore elettrico posto all'incirca sotto il sedile del conducente tramite un dispositivo a catena che fornisce un rapporto di trasmissione variabile e al differenziale posteriore di tipo usuale che trasmette il moto alle ruote motrici. Nella variante dovuta ai due inventori citati, il primo variatore di rapporto è soppresso e l'albero si collega direttamente al motore; questo, di dimensioni notevoli data la bassa velocità per la quale è previsto, è dotato di due collettori, che si collegano in serie o in parallelo nel modo usuale, onde ottenere due velocità base.

Una trasmissione analoga si trovava su alcune antiche vetture destinate al servizio di taxi a Parigi, con un differenziale azionato da una coppia dentata, il pignone della quale, in cuoio per ridurre il rumore, era calettato su un motore a doppio collettore.

Trasmissione Mercedes, 1907


Telaio Mercedes e disposizione di collettore e spazzole della dinamo.

Disposizione meccanica analoga a quella dell'Electromotion, derivata, per quanto riguarda i motori nei mozzi delle ruote posteriori, dai rotabili Lohner-Porsche sperimentati in Austria, che erano però semplicemente alimentati da accumulatori. Dispone di una dinamo a sei poli a indotto fisso, induttore ruotante e collettore assiale; le superfici polari di indotto e induttore sono leggermente coniche e la parte ruotante può spostarsi assialmente contrastata da una molla, con aumento o diminuzione del traferro sotto l'azione della reazione di indotto; sembra che ciò contribuisca all'autoregolazione della dinamo che, secondo la casa costruttrice, agisce entro ampi limiti senza inconvenienti di commutazione (scintille al collettore). All'atto pratico il sistema ha dato scarsi risultati anche per l'intrinseca fragilità della dinamo, dotata di sei doppi gruppi di spazzole sensibili agli scuotimenti dovuti allo stato della via.

Una variante di questo telaio utilizza un accumulatore in parallelo alla dinamo (telaio Mercedes Mixte); pare che il peso degli accumulatori e la complicazione dei dispositivi richiesti non compensino i vantaggi ottenuti e il sistema non avrà applicazioni se non in esemplari di autovetture più o meno di lusso.

Trasmissione Hart e Durtnall, 1908

William Peter Durtnall (Herbe Bay, 1873-Luton, 1947), elettrotecnico e inventore inglese, militare nella R.A.F. nel 1918. Detentore di numerosi brevetti, tra i quali il Paragon, un motore termo-elettrico, e un sistema di conversione c.a./c.a. per la trazione ferroviaria a corrente alternata con motori trifasi alimentati a frequenza variabile (1909) oltre a numerose applicazioni aeronautiche.
Ernest William Hart (Luton, c. 1859-1913), tecnico nel campo dei motori termici, appare quasi sempre associato a Durtnall.

E' l'unico esempio di trasmissione elettrica a corrente alternata. Il motore termico aziona un alternatore trifase a numero variabile di poli, che alimenta un motore asincrono trifase azionante le ruote posteriori tramite un usuale differenziale; si hanno diverse velocità di sincronismo a seconda del numero di poli utilizzato nel generatore e tra alternatore e motore è inserito un innesto a frizione, forse come rimedio alla scarsa coppia di avviamento del motore o nei cambiamenti del numero dei poli. Il sistema è elegante, ma non sembra sia stato molto efficiente, vista la mancanza di applicazioni che ha avuto.

Trasmissione Lavo, 1908

Citiamo questa trasmissione, dovuta alla Société d'électromecanique, quale esempio di un meccanismo inutile e irrazionale. L'indotto (1) di un ordinario motore a c.c. trasmette il moto ad una ruota motrice tramite una coppia dentata (3) e una catena; l'induttore (2), in luogo di essere fisso, può ruotare intorno allo stesso asse ed è alimentato attraverso due anelli con spazzole striscianti. Con questa disposizione l'induttore si pone in rotazione e può essere collegato all'altra ruota motrice, ma c'è un inconveniente: l'induttore ruota in senso contrario all'indotto e l'inventore è quindi portato ad inserire un complicato treno di ingranaggi (4), uno dei quali a dentatura interna, nel relativo collegamento per invertirne il senso di rotazione. Secondo lo stesso inventore, il vantaggio del ritrovato starebbe nel poter impiegare un solo motore eliminando il differenziale.

Telai per autobus urbani

British Thomson Houston, 1907

Motore a combustione interna da 40 HP direttamente accoppiato ad una dinamo ad eccitazione compound da 15 kW, che fornisce una tensione variabile da 65 a 130 V a 850 g/m. Due motori di trazione con eccitazione in serie da 7,5 kW che azionano singolarmente le ruote posteriori mediante riduttori a ingranaggi a chevron e catene. Il veicolo si conduce agendo sull'alimentazione del motore termico e sull'eccitazione del campo derivato della dinamo; si hanno due velocità corrispondenti al collegamento in serie o in parallelo dei motori, oltre alla retromarcia con motori stabilmente in serie.

Hall-Stevens, 1908

John Hall (1764-1836), fondatore nel 1785 a Dartford della J. & E. Hall, industria per costruzioni meccaniche inizialmente specializzata in macchine per la lavorazione della carta e motori a vapore; dal 1880 avviò la produzione di macchine refrigeranti, che diverranno in seguito la principale attività della ditta, mentre dal 1906 al 1926 produsse anche veicoli commerciali e relative parti meccaniche.

William Arthur Stevens (1864-1935), fondatore nel 1897 a Maidstone di una fabbrica specializzata nella costruzione di veicoli commerciali, che nel 1906 presentò il suo primo veicolo a trazione termo-elettrica basato sui brevetti di Percival Frost-Smith (1876-1924); dalla fusione con Thomas Tilling (1825-1893), un operatore nel trasporto pubblico, nacque la Tilling-Stevens che divenne uno dei principali fornitori di veicoli per trasporto passeggeri in Inghilterra.

Motore a combustione interna a quattro cilindri di 110 mm di diametro e 140 mm di corsa, da 30 HP a 1050 g/m direttamente accoppiato ad una dinamo ad eccitazione compound che fornisce fino a 200 A alla tensione di 180 V. Motori di trazione a quattro poli con eccitazione in serie da 9 kW che azionano singolarmente le ruote posteriori mediante albero cardanico e trasmissione a vite perpetua e ingranaggio elicoidale con rapporto 1/12. Il veicolo si conduce agendo sull'alimentazione del motore termico e sull'eccitazione del campo derivato della dinamo; i due motori sono normalmente collegati in parallelo, ma possono essere posti in serie mediante un commutatore manuale, che funziona anche da invertitore di marcia.


Telaio Hall-Stevens per autobus urbano.
M, motore termico; D, dinamo; E, motori di trazione; u, alberi di trasmissione; w, riduttori a vite e ruota elicoidale.

Sembrerebbe che il telaio fosse dotato di freni alle ruote posteriori raffreddati ad acqua e sarebbe interessante sapere se il raffreddamento fosse a circolazione di acqua o ad acqua perduta; sul disegno sopra riportato non si distingue nessun particolare tipo di freno, anzi sembrerebbe che sulle ruote anteriori non agisse alcun freno.

Trazione anteriore o posteriore, trasmissioni, differenziale meccanico o elettrico

Nella produzione di veicoli stradali a trazione elettrica o termo-elettrica del primo decennio del secolo XX si nota una preponderanza della trazione anteriore sui veicoli da turismo rispetto a quelli da trasporto, che invece si mantengono fedeli alla trazione posteriore; ciò è in buona parte conseguenza di alcune idee errate che si avevano in questioni di meccanica.

Si pensava, innanzitutto, che con le ruote direttrici simultaneamente motrici su strada rettilinea il veicolo avrebbe mantenuto più facilmente la direzione, vista la coppia motrice esercitata parallelamente dalle due ruote anteriori; non solo, ma anche la descrizione delle curve sarebbe stata facilitata, con alleggerimento dell'azione del conducente sul volante di direzione. In realtà difficilmente i due motori avrebbero fornito la stessa coppia motrice e quindi già anche su una superficie stradale ideale la marcia del veicolo avrebbe richiesto opportune correzioni con lo sterzo; se poi si considerano le condizioni delle strade dell'epoca, si vede che ben difficilmente le due ruote avrebbero potuto trovarsi nelle stesse condizioni di velocità istantanea oltre che di aderenza, altra causa di instabilità.


Trazione anteriore: sospensione di un motore e trasmissione del moto tramite coppia dentata (Kriéger).
1, pignone; 2, ruota condotta; mot, motore.

Ma anche dal punto di vista costruttivo il rendere motrici le ruote anteriori presentava non poche difficoltà: in primo luogo, non potendosi allora pensare a disposizioni con i motori fissi sul telaio, ogni motore doveva essere solidale con il fuso, con aumento del peso non sospeso e difficoltà di montaggio; in secondo luogo, una semplice coppia dentata per la trasmissione del moto portava inevitabilmente a dover adottare motori lenti e di conseguenza pesanti, come risulta dal seguente esempio.

Ruota di 900 mm diametro, valore abituale per l'epoca; alla velocità del veicolo di 20 km/h compie 60 g/m, il diametro massimo adottabile per la ruota dentata condotta potrebbe essere 800 mm che con un pignone da 60 mm darebbe un rapporto di 60/800, pari circa ad 1:13 ed un motore da 780 g/m a regime.

Altre difficoltà derivavano dal limitato spazio a disposizione per gli ingranaggi, che risultavano di ridottissimo spessore con conseguente rapida usura ed erano fonte di un rumore che a seconda della cura con la quale erano stati tagliati, poteva andare da un sibilo a un rumore di ferraglia (mentre l'auto elettrica, almeno quella con alimentazione da accumulatori, era vantata per la sua silenziosità), nè si potevano usare ruote dentate silenziose a doppio chevron; non era possibile montare un carter per la trasmissione e la coppia dentata doveva essere periodicamente pulita e lubrificata. Alcuni costruttori vollero impiegare una trasmissione a vite senza fine e ruota elicoidale con quale era possibile ottenere un rapporto di trasmissione elevato con dimensioni ridotte della coppia, ma andarono incontro a complicazioni derivanti dalla spinta assiale della vite senza fine, che costringeva ad usare cuscinetti reggispinta di difficile regolazione. Infine, altro punto debole di questo avantreno motore erano i collegamenti di alimentazione dei motori, che dovevano essere realizzati con conduttori flessibili suscettibili di facile danneggiamento, visto il movimento dei motori durante la sterzatura.

Ad un certo punto a qualcuno venne un'idea che al momento sembrò in grado di risolvere tutti i problemi della trasmissione del moto: montare i motori dentro le stesse ruote. La disposizione adottata fu la seguente: sul fuso è calettato, fisso, un induttore per macchina a c.c. a poli salienti ed esternamente allo stesso ruota l'indotto, solidale alla ruota motrice; per il collettore, gli inventori si sbizzarrirono in varie soluzioni, più adottate delle quali furono un collettore sviluppato su un disco in un piano verticale con le spazzole disposte assialmente (ved. figura) o un cilindro con le spazzole striscianti sulla sua superficie interna. Naturalmente le cose non andarono del tutto lisce: oltre al notevole peso non sospeso del complesso motore e ruota, il contatto tra spazzole e collettore si rivelò incerto a causa del saltellamento della ruota sul suolo stradale; ciò nonostante il sistema ebbe una certa diffusione.


Ruota motrice contenente il motore.
R, raggi della ruota; J, indotto solidale alla ruota; K, induttore solidale con il fuso; C, collettore; S, spazzole.

La trazione posteriore fu invece quasi sempre utilizzata sui telai da trasporto, per autocarri, autobus e simili. Nelle prime realizzazioni si seguì la tecnica fino allora utilizzata, con un solo motore elettrico azionante le ruote motrici con l'usuale disposizione di albero cardanico, differenziale, semiassi, ecc., ma ben presto si passò agli equipaggiamenti con due motori che davano la possibilità di avere due velocità col collegamento serie-parallelo, facilitando l'utilizzazione dei veicoli. I due motori furono montati, come per gli avantreni motori, per l'azionamento indipendente delle due ruote, qui facilitato dal fatto che le stesse erano fisse, non sterzanti; si utilizzarono vari tipi di trasmissioni, da quella semplice a catena eventualmente preceduta da un riduttore di velocità ad ingranaggi, agli alberi cardanici e coppia a vite senza fine; si adottarono anche, per potenze ridotte, le ruote col motore montato sul fuso come nelle vetture da turismo.

In realtà, il fine più importante dell'adozione di due motori era di poter fare a meno del differenziale che appariva, forse a ragione, un organo complicato, pesante e cagionevole, ma ci si accorse ben presto che il differenziale elettrico, come successivamente si volle chiamare il sistema, non equivaleva in tutto e per tutto al differenziale meccanico a causa dell'interdipendenza dei motori alimentati dallo stesso generatore, con la conseguenza che i moti anomali di una ruota si ripercuotevano sull'altra dando luogo ad irregolarità di marcia; in particolare nell'alimentazione in serie i motori erano percorsi dalla stessa corrente e tendevano quindi a fornire la stessa coppia motrice, proprio il contrario di quello che dovrebbe fare un differenziale. Nei successivi equipaggiamenti la marcia in serie sparì o fu lasciata solo per situazioni particolari.

Il differenziale elettrico scomparve insieme alla trasmissione elettrica del moto nel secondo decennio del secolo XX, quando il motore termico uscì dalle difficoltà iniziali. Inspiegabilmente  rivide la luce negli anni Trenta, quando la Fiat produsse il telaio filoviario 656-F dotato di motori indipendenti alle ruote posteriori; non si hanno notizie sul funzionamento di questo risuscitato dispositivo, ma certo è che restò unico nella storia del filobus e sembra sia stato utilizzato solo sulle reti di Livorno e Roma.

Trazione termo-elettrica sistema Pieper

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* Un esempio di errori in un disegno e due righe di testo (Tramway and Railway World, marzo 1908): un telaio Pieper è dato Hart-Durtnall, storpiandone il nome in Durtnell.

Fonti.
La voiture èlectrique Kriéger
. Exposition universelle 1900, III-XVI, 1901.
La voiture électrique. Supplemento a L'éclairage électrique, 1905.
La vie automobile. Paris. Dunod, 1904-1910.
L. Baudry de Saunier - L'automobile théorique et pratique. II, voitures à pétrole. Tip. in proprio, Levallois, 1901.
M. Sainturat - Les voitures à transmission élastique. La vie automobile, 1907.
H. Dalebroux - Comparaison des différentes automobiles utilisables comme poids lourds: voitures pétroléo-électriques. Liège, 1909.
L.P. Guédon - Le mécanicien-wattman. Paris, 1909
D. Renald - Tracteur Balachowsky et Caire. La Nature, 1913.


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