Riassunto analitico
Il lavoro di tesi riassume le attività svolte durante il mio tirocinio di laurea magistrale presso il Laboratorio di Idraulica del Veicolo del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”. L’obiettivo principale dell’elaborato è la progettazione di un banco prova che permetta di replicare architetture circuitali tipiche utilizzate nelle applicazioni mobili (macchine agricole, macchine movimento terra). In queste applicazioni vengono utilizzati impianti multiutenza, tra le quali è incluso il sistema di sterzatura, che assume un ruolo prioritario per ragioni di sicurezza. Di fatto, nella progettazione del banco prova, particolare attenzione viene dedicata a quest’ultima al fine di renderla quanto più fedele possibile alle condizioni reali di funzionamento, garantendo una simulazione accurata e affidabile delle sue prestazioni.
Si è svolta un’indagine, considerando la presenza in laboratorio di un gruppo di generazione di potenza idraulica specifico, finalizzata a determinare la grandezza massima di impianto testabile con le risorse esistenti. Infatti, è stato dimensionato l’impianto di sterzatura per diverse taglie di veicolo, calcolando la potenza assorbita e confrontandola con quella erogabile dal gruppo di generazione a disposizione. Contestualmente a ciò, è stata condotta un’analisi dell’interazione tra pneumatico e terreno, utile non solo al dimensionamento del sistema di sterzatura, ma anche alla definizione dei carichi da applicare durante la fase di test. Successivamente, è stato studiato il layout del banco, con particolare attenzione al sistema per la generazione del carico. Infatti, tale sistema, è stato progettato in modo da consentire anche la simulazione del cinematismo dello sterzo poiché, quest’ultimo, non è stato previsto tra le componenti da integrare fisicamente. Infine, essendo, come anticipato, la multiutenza una caratteristica frequente in questi impianti, è stata presa in considerazione la possibilità di includere una valvola prioritaria per gestirne la regolazione.
Tramite il software OpenModelica è stato creato un modello virtuale del banco al fine di validare la progettazione e ottimizzarne il controllo. L’analisi dei risultati delle simulazioni ha permesso di confermare diversi aspetti cruciali per l’elaborato di tesi. In primo luogo, ha confermato che la potenza erogata dal gruppo di generazione a disposizione è sufficiente per simulare impianti idraulici destinati a veicoli agricoli di media taglia, che rappresentano il target principale dello studio. Inoltre, il sistema di generazione del carico si è dimostrato affidabile, inseguendo in maniera accurata l’andamento della coppia resistente sul cilindro di sterzo, determinata per via analitica. Infine, il modello virtuale dimostra che il banco prova è in grado di garantire flessibilità e affidabilità alle variazioni delle condizioni di funzionamento durante la fase dei test.
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Abstract
This thesis work deals with the activity carried out during my Master Degree internship at the Fluid Power Laboratory of the “Enzo Ferrari” Engineering Department. The main focus of the activities was the design of a test bench, able to simulate hydraulic systems, typically used in mobile applications (agriculture machines, wheel loader, etc.). This system supplies multiple users, among which the steering system must be prioritized for safety reasons. Due to the importance of this system, we mainly design the test bench focusing on it to accurately reproduce its real functioning.
Taking into account the availability of a hydraulic power supply, we evaluated the maximum size of the system that can be tested. In fact, we considered different vehicle steering systems, comparing their power consumption with available one on the test bench. The tire-road interaction analysis was another important aspect to consider, which proved useful not only for sizing the steering system but also for defining the loads to be applied during the testing phase.
Subsequently, we designed the test bench layout focusing on the load generating system. As a real steering kinematics was not available, we developed this system to simulate its operation. In summary, since multi-user functionality is a typical aspect of these mobile applications, we considered the possibility of implementing a priority valve to manage its flow regulation.
A virtual model of the test bench was developed using OpenModelica software to validate the design and optimize its control logics. The analysis of simulation results confirmed several crucial aspects for the thesis. Firstly, it confirmed that the power supplied by the available generation unit is sufficient to support the simulation process of hydraulic steering systems intended for medium-sized agriculture vehicle, which are the target of the study. Then, the design of the load generating system is consistent and effective, as it accurately replicates the analytically determined resistance torque on the steering actuator. In conclusion, the virtual model demonstrates that the test bench can provide flexibility and reliability in different operating conditions throughout the testing phase.
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