Renault Captur plugin etech: le marce “segrete” (e proibite)

Nel brevetto US10479188B2 del motore e-tech si fa un tenue accenno al fatto che alcune delle 27 combinazioni possibili di marce sono da evitare perchè manderebbero in “blocco distruttivo” il motore. Una dichiarazione inquietante ma non approfondita nel brevetto, che dice solo che “è meglio consentire solo 5 delle 9 marce illustrate in figura 3 e 4”:

According to FIGS . 3 and 4 , the function of the transmission may be limited to five of the 3×3 combinations of positions of the coupling devices 22 , 23 of the primary shaft and of the transfer shaft . The combinations selected are used respectively for gears Ice2 and Ice4 and for gear Ice3 and coupling.To avoid blocking the transmission due to the unintentional engagement of two combustion engine gears, …

In italiano:

Come da figure 3 e 4, la funzionalità della trasmissione può essere limitata a cinque delle 3×3 combinazioni di posizioni degli accoppiatori 22 e 23 dell’albero primario e dell’albero di trasferimento. Le combinazioni selezionate vengono usare rispettivamente per le marce Termica1 e Termica4 e per la marcia Termica3 e Accoppiamento. Per evitare il blocco della trasmissione causato da innesto involontario delle due marce termiche,… [ecc. ecc.]

La figura 3, praticamente identica alla figura 4 a meno del motore elettrico ausiliario HSG, è la seguente, ampiamente spiegata nel seguito dell’articolo:

Per capire di cosa sta parlando, il brevetto quando parla di marce che “è meglio non usare” bisognerebbe studiarsi a fondo questa immagine, la mia versione colorata, riveduta e corretta della figura 2 del brevetto…

Motore Renault E-tech – brevetto US20170129323

Una volta analizzata, però, si scopre che la si può notevolmente semplificare, per analizzare più “facilmente” il problema:

Questi i numeri più importanti:

• 1: motore termico
• 3: albero termico
• 4: albero di trasmissione elettrico
• 5: albero “secondario”
• 6: albero “di trasferimento”
• 7: differenziale e ruote
• 8: motore elettrico principale da 49 kW
• 29: HSG (High Voltage Starter/Generator, motore elettrico secondario da 25 kW)

Questa è la notazione usata nello schema:

Un punto molto importante dello schema è che gli ingranaggi 19, 16 e 14 sono sempre “in presa” e costantemente collegati al differenziale 7 e alle ruote, qualunque sia la marcia inserita, anche in “folle termico” (accoppiatore 22 in posizione centrale) e “folle elettrico” (accoppiatore 21 in posizione centrale). Il 16 e il 19, però, non sono normalmente collegati ai loro rispettivi alberi: lo diventano solo quando vengono collegati dagli accoppiatori 22 e 23:

Per indicare la posizione dei 3 accoppiatori 21, 22 e 23 (*) ho deciso di inventarmi un metodo del tutto arbitario:

1. posizione centrale, in folle
2. a sinistra
3. a destra

In questo modo ho potuto costruire una “tabella della verità” per i 3 accoppiatori, di cui qui sotto è mostrata la parte relativa all’accoppiatore 21 in stato 2:

Le indicazioni scritte sopra a ogni sotto-tabella (I2+Ea, Coup,…) sono l’abbreviazione di quelle scritte nel brevetto:

• I2, I3, I4: ICE2, ICE3, ICE4 = Marce termiche 2, 3 e 4
• Ea/Eb: Marce elettriche A e B
• Coup = coupling

Notare che in questa tabella ridotta l’accoppiatore 21 è sempre fermo in posizione 2; contando anche le altre due posizioni possibili, la tabella totale contiene quindi 27 combinazioni (3 moltiplicato per queste 9); ma siccome di questa tabella sono permesse solo 5 combinazioni, le combinazioni totali permesse sono 3×5=15, quelle dichiarate dalla Renault (PDF).

Come si fa a capire dallo schema del motore quali combinazioni sono vietate e perchè causano il blocco della trasmissione? Conviene aiutarsi con uno schema semplificato, anche se a prima vista sembra più complicato di quello iniziale…

Anche qui mi sono inventato di sana pianta la notazione usata, non so quale usino gli ingegneri meccanici.

La simbologia che ho adottato è la seguente:

Cioè:

• Se un “numero con quadratino” è attaccato al cerchio che rappresenta l’albero, vuol dire che il numero rappresenta un ingranaggio che forma un tutt’uno con l’albero.
• Se il numero è separato, rappresenta un “ingranaggio volante” (o come si chiamano), che cioè usa l’albero come centro di rotazione, ma ruota in modo completamente indipendente, e viene vincolato all’albero solo nel momento in cui lo vincola un accoppiatore.
• I numeri nel formato xx/y rappresentano, insieme alle rispettive frecce, le posizioni degli accoppiatori: “22/2” indica il collegamento creato dall’accoppiatore 22 quando si trova in posizione 2, quando cioè l’albero 3 risulta vincolato all’ingranaggio libero 15.
• Gli archi tratteggiati indicano la correlazione e alternatività delle due posizioni opposte di un accoppiatore.

Da notare il particolare dell’ingranaggio 16, che ha un utilizzo quando è “in folle”, cioè in posizione 1, perchè comunque trasmette il moto dall’ingranaggio 19 all’ingranaggio 14: finchè il 19 non è in presa, la cosa è irrilevante, ma quando l’accoppiatore 23 va in posizione 3 e blocca il 19 sull’albero, allora il 16 collega i due alberi 6 e 3; questo suo utilizzo anche “in folle” è rappresentato dalla freccia più spessa che lo rappresenta:

Il vantaggio di usare questa notazione è che, in PowerPoint, posso raggruppare tutti gli oggetti associati a una certa posizione di un accoppiatore, quindi per rappresentare un accoppiatore in posizione 2, mi basta cancellare il gruppo associato alla posizione 3, e viceversa; per rappresentare la posizione 1, le cancello entrambe; per esempio, per rappresentare la posizione 312 farò questi passaggi:

Una volta “chiarito” quanto sopra, veniamo a rappresentare la tabella della verità in forma grafica:

Finalmente adesso abbiamo un modo rapido e relativamente facile per capire quand’è che la trasmissione va in blocco: quando si crea un giro chiuso, come quelli evidenziati qui sopra. Un giro chiuso, infatti, vuol dire che a uno stesso albero vengono imposte due velocità diverse dallo stesso motore (cioè ci sono due percorsi che arrivano allo stesso albero da due direzioni diverse), cosa meccanicamente impossibile: quindi gli ingranaggi si bloccano e si rompe tutto.

Riporto qui per comodità tutti insieme la tabella della verità completa delle 27 combinazioni, la sua rappresentazione grafica, e lo schema semplificato del motore; notare che ogni combinazione della tabella ha una numerazione identificativa univoca a 3 cifre data dalle 3 posizioni dei 3 accoppiatori: ad esempio, il “folle” è la posizione che possiamo chiamare 111, al centro della tabella:

Nella tabella della verità qui sopra, le marce consentite hanno il numero xxx con fondo grigio, e sono ovviamente 15 come già detto, e hanno anche un’etichetta corrispondente al nome usato nel brevetto. I gialli indicano le posizioni proibite.

Ho marcato con “???” due di queste 27 posizioni perchè, apparentemente, di per sè non mi sembrano mandare immediatamente in blocco la trasmissione: la 221 e la 231, che si possono rappresentare così:

Non essendoci un anello chiuso (e ipotizzando che il mio metodo di rappresentazione sia corretto…), non dovrebbe esserci nessun blocco, si ha solo il collegamento fisso tra motore elettrico, motore termico principale e motore elettrico secondario; il problema si presenta se si tenta di innestare una qualunque delle due marce elettriche EvA o EvB (ossia xx2 o xx3): in quel caso il cerchio si chiude:

Viene da chiedersi se potrebbero essere queste due marce “quasi proibite” il motivo delle continue “grattate” che tanti utenti, me compreso, riscontrano nell’utilizzo quotidiano della macchina, che spesso sembra incapace di cambiare marcia, causando appunto sonore “grattate”. Non ci sarà un errore nel SW, che quindi NON impedisce di innestare una marcia elettrica quando è innestata una marcia 22x o 23x?

Le marce “gemelle” 33x e 32x, invece, risultano immediatamente e inequivocabilmente bloccanti, a prescindere dalla marcia elettrica:

Questa è invece la rappresentazione utilizzata nel brevetto per le 15 marce possibili, cui ho sovrapposto i miei codici numerici delle varie combinazioni:

Notare che nel brevetto la posizione “folle” (111) è disegnata male, hanno disegnato un 113, con la marcia elettrica innestata in posizione 3 (EvB), come il riquadro subito sotto.

A sinistra e sopra nella figura ho rappresentato le combinazioni valide per l’intera rispettiva riga/ colonna; “CTE” indica che i 3 accoppiatori sono, nell’ordine, quello generico di “coupling”, quello “termico” e quello “elettrico); “xx2” vuol dire ad esempio che in tutta la riga è sempre innestata la posizione elettrica 2 (=EvA), mentre C e T possono essere in altre posizioni.

Mettendo insieme la rappresentazione del brevetto con la mia, ecco infine un’immagine che riassume tutto quanto detto finora, in forma sia numerica che grafica:

• Le marce evidenziate in blu sono quelle esclusivamente elettriche. Per la presenza dell’HSG, in questa situazione il termico però muove l’HSG (se l’accoppiatore 30 è innestato), che ricarica la batteria usata dal motore principale; si ha quindi una configurazione di ibrido seriale o charge sustain o range extender, con propulsione elettrica ma autonomia “infinita” garantita dal supporto del motore a benzina, che però può ripristinare solo metà della carica consumata, avendo l’HSG solo metà potenza rispetto al motore principale.
• Le marce evidenziate in rosso sono quelle esclusivamente termiche.
• Le marce evidenziate in viola sono marce termiche che però sono disponibili solo se è innestato anche il motore elettrico.
• La casella grigia indica la posizione di “folle” per tutti i e due i motori, ma comunque il termico resta sempre in presa con l’HSG: è quindi possibile ricaricare la batteria anche stando parcheggiati.
• La casella gialla indica la posizione indicata da Renault come “Smart charge” o “Charge ME”, che vede i motori elettrico e termico collegati tra loro, e all’HSG, ma non alle ruote. In questa configurazione in teoria il motore termico potrebbe sfruttare entrambi i motori e ricaricare la batteria a 75 kW.
• Le altre caselle sono marce ibride elettrico+termico.

In totale, le marce elettriche disponibili sono 2, quelle termiche sono 3+2 (3 indipendenti e 2 vincolate all’elettrico).

Notare che nella figura 3 del brevetto c’è un altro errore: la marcia Ice5 è indicata erroneamente come Ice1 nel riquadro in basso a destra dell’immagine del brevetto:

I rapporti di trasmissione (gear ratio)

Un ultima nota a proposito dell’ultima figura riguarda i numeri indicati in basso in ogni casella: si tratta delle sequenze di ingranaggi attive in quel momento, per la “catena elettrica” e per la “catena termica”; in teoria, conoscendo il numero di denti di ogni ingranaggio, usando queste informazioni si potrebbe calcolare il rapporto di tramissione finale, ma purtroppo questo dato non è noto; l’unica c osa che si può provare a fare, molto rozzamente, e assumento che gli schemi del brevetto siano precisi, è affiancare tutti gli ingranaggi coi rispettivi raggi, in modo da capire quale e più grande e quale più piccolo; questo è un primo tentativo:

Il problema è che si tratta di 13 ingranaggi, alcuni con dimensioni molto simili, quindi districarsi tra tutte queste righe per scrivere gli ingranaggi in ordine di diametro è parecchio complicato, anche perchè richiede la precisione del singolo pixel, cosa che probabilmente non è presente nelle immagini del brevetto.

Comunque ci ho provato: ho diviso la distanza tra l’ingranaggio più grande e il più piccolo in un numero di inervalli arbitrario, ma che permettesse di approssimare più ingranaggi possibili, ma al tempo stesso mi permettesse di non diventare cieco… ottendo questo:

In realtà l’ingranaggio 25 non interessa a nessuno perchè non è tra motori e ruote, ma tra motore termico e HSG, quindi il primo ingranaggio che ci interessa è l’11; in formato numerico la corrispondenza è questa:

Note quindi (più o meno) le dimensioni degli ingranaggi, mettendole nelle espressioni delle “catene delle marce” si dovrebbe ottenere una mezza specie di gear ratio per ogni marcia; prendiamo ad esempio le due marce elettriche:

• EvA = 9:11
• EvB= 10:12

Cioè per andare dal motore elettrico alle ruote, la coppia del motore elettrico attraversa gli ingranaggi 9 e 11 in marcia EvA, e 10 e 12 in marcia EvB. Ma 9 e 11 stanno in rapporto 3:18, e 10 e 12 stanno in rapporto 12:7.5; questo significa che EvA ha un gear ratio di 0.17 e EvB ha un gear ratio di 1.6:

• EvA: 3:18 = 0.17
• EvB: 12:7.5 = 1.6

Il gear ratio è infatti definito come rapporto motore/ruote, cioè tra il numero di denti dell’ingranaggio del motore e quello dell’ingranaggio delle ruote, e fornisce una misura comparativa della velocità delle ruote, cioè più è alto il GR, maggiore è la velocità delle ruote.

Se vogliamo esprimerli in forma paragonabile, possiamo esprimerlio entrambi in centesimi:

• EvA = 17/100
• EvB = 160/100

Quindi qui abbiamo che in EvA la Captur ha un decimo della velocità che in EvB. EvA, quindi, è la “prima marcia” del motore elettrico, quella per le basse velocità

Se infatti andiamo a rivedere lo schema del motore, limitandoci alla parte che ci interessa, quella delle marce elettriche, vedremo che l’ingranaggio di EvA è quello di sinistra, che non solo è molto più piccolo di EvB, ma si innesta su un ingranaggio molto più grande di quello su cui si innesta EvB:

Con lo stesso sistema si possono trovare i gear ratio di tutte le marce: elettriche, termiche e miste:

• EvA = 17/100
• EvB = 160/100
• ICE2 = 122/100
• ICE3 = 203/100
• ICE4 = 255/100

ICE1 e ICE5 sono marce particolari perchè sono marce termiche che possono esistere solo in serie alle due marce elettriche; si tratta infatti di mettere in serie a una delle due marce elettriche una “marcia virtuale” che vale:

ICEv = 108/100

Questo rapporto va quindi poi moltiplicato per EvA per ottenere ICE1 o per EvB per ottenere ICE5:

• ICE1 = ICEv * EvA = 108/100 * 17/100 = 18/100
• ICE5 = ICEv * EvB = 108/100 * 160/100 = 172/100

Quindi, in ordine di velocità crescente, le marce sono:

1. EvA = 17/100
2. ICE1 = 18/100
3. ICE2 = 122/100
4. EvB = 160/100
5. ICE5 = 172/100
6. ICE3 = 203/100
7. ICE4 = 255/100

EvA e ICE 1 (ICEv+EvA) hanno rapporto praticamente identico, come anche EvB e ICE5 (ICEv+EvB), quindi sostanzialmente le marce sono 5, di cui 2 possono essere alternativamente termiche o elettriche:

1. ICE1 = 18/100 (Ev = 17/100)
2. ICE2 = 122/100
3. ICE5 = 172/100 (Ev = 160/100)
4. ICE3 = 203/100
5. ICE4 = 255/100

Notare però che il fatto che dai calcoli risulti che il gear ratio di ICE5 sia inferiore a ICE3 e ICE4 significa che probabilmente c’è un errore da qualche parte… nei miei calcoli oppure nel brevetto.

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Note

(*) il brevetto accenna solo vagamente all’accoppiatore 30, dicendo che può esserci o non esserci; serve unicamente a collegare l’HSG al motore termico; la connessione tra termico ed HSG è sempre presente, se l’accoppiatore facoltativo 30 non è presente, anche se le posizioni 112 e 113 della figura 4 sembrano suggerire di no (o forse è solo che non era rimasto spazio per scrivere anche “HSG” nei riquadri).