Riassunto analitico
I sistemi di trasmissione ad ingranaggi hanno un ruolo determinante in molte applicazioni, tra cui quelle automobilistiche. Nella loro progettazione, uno degli aspetti che richiede maggiore attenzione è l’efficienza. Un ulteriore miglioramento dell'efficienza può essere ottenuto analizzando in dettaglio le perdite di potenza nel sistema di trasmissione. Tali perdite di potenza sono in genere classificate in due gruppi, dipendenti dal carico e indipendenti dal carico. Mentre le perdite di potenza dipendenti dal carico sono state attentamente studiate e sono stati già sviluppati modelli predittivi, le perdite indipendenti dal carico, invece richiedono ulteriori analisi. Le perdite di potenza indipendenti dal carico sono dovute alla lubrificazione, la quale aiuta a mantenere il sistema di trasmissione a temperature più basse e a ridurre l'attrito, che di conseguenza ne aumenta la durata; per questo motivo le perdite di potenza indipendenti dal carico sono anche dette perdite fluidodinamiche. Le fonti di queste perdite sono principalmente tre: windage (ventilazione), oil squeezing (schiacciamento), e oil churning (sbattimento). Poiché il dominio del fluido cambia costantemente durante la rotazione delle ruote dentate, è necessaria la trasformazione delle boundary del fluido e della mesh all’interno delle così dette boundary. Questa costante trasformazione fornisce un significativo costo aggiuntivo di calcolo. Per questo motivo, le simulazioni CFD dell’ingranamento tra due ruote dentate sono diventate accessibili dal punto di vista computazionale solamente di recente. L’obiettivo di questo lavoro è di studiare le perdite di potenza dovute alla lubrificazione di due ruote a denti elicoidali, attraverso delle simulazioni CFD. Due tipi di lubrificazione sono considerati: oil splashing, ovvero immersione parziale in olio e oil jet, ovvero spruzzatura a getto. Al fine di predire il comportamento del fluido, le simulazioni sono risolte utilizzando il modello di turbolenza K-ɛ e il modello Volume di Fluido (VOF). È utilizzata anche la tecnica Dynamic Overset mesh che permette una simulazione più realistica dell’ingranamento tra ruote dentate. I risultati sono poi confrontati con i dati sperimentali per validare il modello.
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Abstract
Geared transmission systems play a pivotal role in many applications, including automotive. In their design, one of the aspects that requires more attention is efficiency. A further improvement in efficiency can be achieved by analysing in detail the power losses in the transmission system. Such power losses are generally classified into two groups, load dependent and load independent. Whereas the load-dependent power losses have been carefully studied and predictive models have already been developed, load-independent losses require further analysis. Load-independent power losses are due to lubrication, which helps to keep the transmission system at lower temperatures and to reduce friction, which consequently increases its life; for this reason the load independent power losses are also called fluid dynamic losses. There are three main sources of these losses: windage, oil squeezing, and oil churning. Since the domain of the fluid constantly changes during the rotation of the gear wheels, it is necessary to transform the boundaries of the fluid and the mesh within the so-called boundaries. This constant transformation provides a significant additional computational cost. For this reason, CFD simulations of the meshing between two gear wheels have only recently become accessible from a computational point of view. The goal of this work is to study the power losses due to the lubrication of two helical toothed gears, through CFD simulations. Two types of lubrication are considered: oil splashing, i.e. partial immersion in oil and oil jet, i.e. jet spraying. In order to predict the behaviour of the fluid, the simulations are solved using the K- ɛ turbulence model and the Volume of Fluid (VOF) model. The Dynamic Overset mesh technique is also used, which allows a more realistic simulation of the meshing between gear wheels. The results are then compared with the experimental data to validate the model.
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