La densità di coppia dei riduttori planetari può effettivamente raggiungere circa il 46% in più rispetto a quella offerta dalle soluzioni con assi paralleli, principalmente perché distribuiscono il carico su diversi ingranaggi planetari. Questo li rende particolarmente efficienti per i veicoli elettrici, permettendo alle auto una migliore accelerazione e alleggerendo il gruppo propulsivo tra il 14% e il 22%. Una ricerca del 2023 volta a massimizzare la densità di potenza ha rivelato anche un altro aspetto interessante: configurazioni compatte di tipo planetario risparmiano circa da 8 a 12 centimetri cubi di spazio per ogni chilowatt prodotto dal motore. Potrebbe non sembrare molto, ma è effettivamente molto importante quando si progettano veicoli elettrici pieni zeppi di batterie.
I ruote planetarie, grazie al loro design di ripartizione del carico, possono gestire circa il 33% in più di coppia rispetto ai comuni ingranaggi elicoidali, occupando esattamente lo stesso spazio. Quando i produttori adottano soluzioni innovative nella forma dei denti degli ingranaggi e nella posizione dei cuscinetti, raggiungono valori di coppia compresi tra circa 1.650 e 2.200 Newton metri all'interno di alloggiamenti compatti da 9,5 litri. Ciò corrisponde a circa 21,3 Nm per centimetro cubo, calcolando matematicamente. Prendiamo BorgWarner, ad esempio, uno dei nomi più importanti del settore. Hanno dimostrato attraverso test concreti che i loro sistemi intelligenti di raffreddamento mantengono costante l'erogazione di potenza anche quando i motori sono sottoposti a sforzo intenso, come durante la salita di pendenze elevate o il trasporto di carichi pesanti su lunghe distanze. Questo tipo di gestione termica fa tutta la differenza nel mantenere le prestazioni in condizioni operative difficili.
Il motore a corrente continua con ingranaggi planetari combina motori brushless ad alta velocità con riduttori multistadio, il tutto racchiuso in spazi piccoli come 120 per 180 millimetri. Questo tipo di design compatto li rende particolarmente facili da installare su configurazioni modulari di skateboard. Verso la fine dello scorso anno, circa quattro veicoli elettrici su cinque hanno iniziato a utilizzare questi motori planetari direttamente accoppiati per le ruote posteriori. Per quanto riguarda i modelli a tre stadi, sono in grado di gestire rapporti di riduzione compresi tra circa 18:1 e 34:1. Ciò che colpisce è il loro eccellente rendimento anche in condizioni di temperatura diverse, mantenendo livelli di efficienza meccanica compresi tra il 92% e poco oltre il 94%. Questo tipo di prestazioni è fondamentale nella progettazione di sistemi di trasporto efficienti.
L'efficienza meccanica dei sistemi di ingranaggi planetari raggiunge tipicamente il 95-98 percento per stadio, poiché il carico viene distribuito su diversi ingranaggi simultaneamente. Quando i produttori ottimizzano le forme dei denti e utilizzano materiali migliori, riducono le perdite dovute all'attrito radente di circa il 21% rispetto ai comuni ingranaggi ad asse parallelo, secondo una ricerca pubblicata su Nature l'anno scorso. Perché questo è così importante per i veicoli elettrici? Beh, questi motori a corrente continua con ingranaggi planetari possono mantenere la massima efficienza su un intervallo più ampio di velocità. Questo è fondamentale per le auto che si fermano e ripartono costantemente nel traffico urbano, dove l'accelerazione avviene frequentemente durante la giornata.
L'accoppiamento di riduttori planetari con motori a magnete permanente migliora l'efficienza complessiva del gruppo propulsivo del 9,34% in condizioni reali. La disposizione concentrica riduce al minimo la lunghezza del percorso di trasmissione della potenza, diminuendo le perdite per inerzia dell'18% durante l'accelerazione. Cuscinetti a rulli conici posizionati strategicamente riducono ulteriormente l'attrito rotazionale, contribuendo a una diminuzione del 6,7% degli sprechi energetici durante la frenata rigenerativa.
L'uso di lubrificanti avanzati a base di oli sintetici termicamente stabili può ridurre le temperature di esercizio di circa 23 gradi Celsius quando si opera in condizioni difficili di coppia elevata e continua. Quando i produttori integrano canali di raffreddamento insieme a materiali a cambiamento di fase nei loro progetti, riescono effettivamente a dissipare circa il 41 percento di calore in più rispetto ai metodi di raffreddamento passivo standard. Questo fa una grande differenza perché impedisce al lubrificante di degradarsi nelle aree critiche dove le temperature diventano molto elevate. Di conseguenza, i moderni riduttori epicicloidali mantengono un'efficienza del 89 percento anche quando gestiscono carichi sostenuti di 250 newton metri. Inoltre, c'è un altro vantaggio di cui oggigiorno si parla poco ma che è altrettanto importante: funzionano approssimativamente il 19 percento più silenziosamente rispetto ai tradizionali ingranaggi elicoidali, il che significa meno inquinamento acustico per gli operai delle fabbriche e per le comunità circostanti.
I riduttori epicicloidali funzionano distribuendo il carico della coppia su diverse ruote planetarie invece di concentrare tutta la pressione su una singola parte contemporaneamente. Questo accorgimento progettuale aiuta a prevenire l'usura, consentendo loro di gestire operazioni ben oltre i 250 newton metri in modo affidabile. La maggior parte dei modelli di qualità è realizzata in acciaio temprato o leghe speciali, capaci di resistere agli improvvisi picchi di coppia che si verificano quando i veicoli elettrici accelerano rapidamente dalla partenza. L'elevato contenuto di carbonio in questi componenti in acciaio conferisce loro una resistenza incredibile, pari a circa 1.200 megapascal o superiore, il che significa che non si deformano né si rompono nelle normali condizioni di lavoro. Test nel mondo reale hanno dimostrato anche un risultato piuttosto impressionante: dopo aver effettuato oltre diecimila cicli operativi, questi sistemi di riduttore mantengono ancora il loro livello prestazionale con una lieve diminuzione dell'efficienza pari soltanto allo 0,8%. Un'usura così ridotta li pone molto avanti rispetto ai tradizionali riduttori a alberi paralleli, superandoli di quasi due terzi nei test sulla longevità condotti dai produttori.
I motori con ingranaggi planetari per sistemi DC permettono un corretto accoppiamento dell'inerzia quando la dinamica del rotore si allinea con ciò che avviene alle ruote e agli assi, grazie a rapporti di trasmissione ottimali. Quando questo allineamento si verifica, le vibrazioni torsionali risultano effettivamente ridotte di circa il 39% rispetto ai comuni sistemi a trazione diretta, consentendo alle automobili di accelerare da 0 a 60 mph in modo molto più uniforme, senza fastidiosi scatti. Test sul campo mostrano che gli ingegneri ottengono tempi di risposta nei circuiti di corrente circa il 22% più rapidi quando l'accoppiamento è corretto. Questo è importante perché riduce l'effetto di cogging e aumenta anche la durata dei cuscinetti: i dati indicano un miglioramento di circa il 17% nella vita dei cuscinetti in scenari tipici di guida urbana caratterizzati da traffico stop-and-go.
Il sistema planetario dei motori a ingranaggi planetari a corrente continua consente di ottenere rapporti di ingranaggio che vanno da 3:1 fino a 100:1 quando vengono utilizzati insieme più stadi. Questo tipo di gamma permette agli ingegneri di regolare le prestazioni dei motori in base a ciò di cui hanno bisogno. Alcune applicazioni richiedono la massima potenza a basse velocità come l'arrampicata mentre altre richiedono una maggiore efficienza sulle autostrade. Secondo una ricerca pubblicata l'anno scorso, l'uso di due fasi di configurazione planetaria riduce la velocità massima del motore di circa il 38 per cento ma mantiene la stessa quantità di coppia di uscita. Ciò significa che i produttori possono costruire motori più piccoli e leggeri senza compromettere le prestazioni.
La maggior parte dei veicoli elettrici utilizza riduttori planetari monomarcia per l'efficienza del 92-95% e l'ingombro compatto. Tuttavia, le ricerche sui veicoli commerciali elettrici mostrano che i sistemi plurimarcia possono migliorare l'autonomia del 12-18% sotto carichi elevati. Il compromesso è la complessità: i cambi plurimarcia richiedono il 23% di componenti in più, ma consentono motori più piccoli grazie a un cambio marcia ottimizzato.
I riduttori epicicloidali funzionano particolarmente bene nei veicoli ibridi perché possono distribuire i carichi su più componenti e gestire l'ingresso sia dai motori tradizionali che dai motori elettrici. Questi sistemi di trasmissione rendono il passaggio tra funzionamento a benzina e funzionamento elettrico molto più fluido rispetto ad altre alternative. Per quanto riguarda la frenata rigenerativa, questi riduttori riescono normalmente a recuperare circa dal 15 al 22 percento dell'energia solitamente dispersa durante la frenata. Anche la ricerca sulla gestione ottimale dell'energia mostra un dato interessante: quando gli ingegneri regolano opportunamente i rapporti di trasmissione, le auto dotate di riduttori epicicloidali recuperano effettivamente quasi il 9,3% in più di energia durante la guida in città con traffico caratterizzato da numerosi arresti e ripartenze, rispetto ai sistemi che mantengono rapporti fissi. Ciò li rende particolarmente attraenti per i produttori che desiderano migliorare il consumo di carburante senza compromettere le prestazioni.
I sistemi di ingranaggi epicicloidali raggiungono le loro impressionanti prestazioni grazie a tre componenti principali che lavorano insieme: c'è l'ingranaggio centrale solare al centro di tutto, poi diversi ingranaggi planetari più piccoli collegati a ciò che viene chiamato portatreno, e infine l'ingranaggio anulare più grande che circonda tutti gli altri. Nella maggior parte dei casi, l'ingranaggio solare agisce come punto di partenza per il trasferimento della potenza, mettendo così in azione gli ingranaggi planetari. Questi ingranaggi toccano contemporaneamente sia l'ingranaggio solare che quello anulare, creando un sistema straordinario in cui la forza viene distribuita su più punti. Ciò che rende questa configurazione così vantaggiosa è l'elevata efficienza nell'utilizzo dello spazio pur garantendo un'eccellente trasmissione della potenza. È per questo motivo che si trovano sempre più spesso queste disposizioni epicicloidali nei veicoli elettrici moderni, specialmente quando sono abbinati a motori in corrente continua, dove ogni centimetro di spazio conta ma non può essere compromessa la massima efficienza.
La maggior parte dei gruppi propulsori dei veicoli elettrici ha il pignone centrale (sun gear) che funge da albero di ingresso principale, trasmettendo la coppia alle ruote planetarie. Quando queste piccole ruote dentate ruotano attorno al pignone centrale e ingranano contemporaneamente con la corona dentata fissa, si genera un efficace effetto di riduzione della velocità. Ciò che rende questa configurazione così vantaggiosa è il fatto che più denti entrano in contatto contemporaneamente. Questo distribuisce in modo piuttosto uniforme la potenza attraverso l'intero sistema, consentendo una migliore gestione del carico e riducendo l'usura dei componenti nel tempo. Per veicoli sottoposti a numerosi cicli, come taxi o furgoni per le consegne, questa resistenza all'usura è particolarmente importante a lungo termine.
Più ingranaggi planetari bilanciano in modo intrinseco la coppia attraverso il sistema, consentendo ai riduttori planetari di gestire carichi continui del 33% superiori rispetto ai sistemi convenzionali a ingranaggi dritti. Questa automatica equalizzazione del carico ne garantisce la durata sotto sollecitazioni asimmetriche causate da accelerazioni rapide e frenatura rigenerativa, rendendo le configurazioni planetarie particolarmente resistenti in ambienti EV gravosi.
La densità di coppia indica la quantità di coppia che un riduttore può gestire in relazione alle sue dimensioni. I riduttori planetari offrono un'elevata densità di coppia perché distribuiscono il carico tra più ingranaggi, migliorando l'efficienza e riducendo l'usura.
Gli ingranaggi planetari migliorano i powertrain degli EV offrendo design compatti e alta densità di coppia, permettendo drivetrain più leggeri e una gestione efficiente della potenza. Aiutano inoltre a mantenere un'elevata efficienza a diverse velocità, fondamentale per la guida cittadina con frequenti arresti e ripartenze.
Sì, i riduttori planetari sono particolarmente adatti ai veicoli ibridi poiché possono gestire la distribuzione del carico e garantire transizioni fluide tra fonti di alimentazione convenzionali ed elettriche, risultando quindi ideali anche per i sistemi di frenatura rigenerativa.
I riduttori planetari sono circa il 19% più silenziosi rispetto agli ingranaggi elicoidali tradizionali, contribuendo a una minore inquinamento acustico sia per i lavoratori industriali che per le comunità circostanti.
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