Riassunto analitico
L’oggetto di analisi del dottorato di ricerca è lo studio delle macchine a pistoni assiali a piatto inclinato, perseguito sia attraverso un’attività di simulazione che di sperimentazione, con il fine principale di analizzare e comprendere nel dettaglio le dinamiche che determinano le prestazioni delle suddette macchine.
Tali macchine sono state e sono tuttora oggetto di studio da parte di numerosi ricercatori e operatori del settore al fine di garantire il raggiungimento di prestazioni sempre più elevate. In particolare gli aspetti critici di maggior interesse sono:l’analisi del rendimento globale della macchina e lo studio dell’influenza sul rendimento dei parametri geometrici fondamentali, l’analisi e riduzione delle emissioni sonore e lo studio delle applicazioni con macchine a cilindrata variabile per il controllo diretto degli attuatori lineari e rotativi.
In questo lavoro, è stata affrontata l’analisi di due aspetti fondamentali della macchina: il suo comportamento dinamico e la caratterizzazione dei rendimenti. Per perseguire tali obiettivi sono stati seguiti due approcci ben distinti: la simulazione fluidodinamica 0-dimensionale e quella bidimensionale.
Il modello di simulazione zero-dimensionale permette di determinare l’andamento della pressione nella camera dei pistoni in funzione dei parametri geometrici e operativi. Conoscere tale andamento costituisce un aspetto fondamentale perché anche da esso dipendono le oscillazioni di portata e pressione che si generano all’uscita della macchina, da cui dipende il livello di rumore emesso (fluid borne noise). D’altra canto la pressione nella camera del pistone determina le forze e coppie scambiate tra i vari componenti (e in particolare quelle generate sul piatto inclinato) da cui si generano vibrazioni meccaniche che costituiscono un’ulteriore fonte di rumore (structure borne noise).
Tale modello permette inoltre di caratterizzare la tendenza di auto azzeramento della cilindrata di una pompa volumetrica al variare della pressione di lavoro e della velocità di rotazione. Questo elemento rappresenta la base per qualsiasi attività di simulazione, progettazione e ottimizzazione di un controllo della cilindrata della pompa in cui tipicamente un segnale in pressione, imposto dall’utenza o internamente dal controllo stesso, attua una variazione di cilindrata in funzione della strategia scelta.
La seconda parte di questo lavoro è stata rivolta allo studio e realizzazione di un modello numerico capace di simulare il rendimento meccanico e volumetrico della macchina. Ciò ha richiesto un differente approccio che si è focalizzato sull’analisi bi-dimensionale dei meati di lubrificazione e in particolare del meato tra pattino e piatto inclinato.
L’approccio iniziale prevedeva la risoluzione dell’equazione di Reynolds in un dominio bidimensionale (in regime di lubrificazione idrodinamica) confinato tra pareti rigide e considerando costanti le proprietà del fluido; da questa prima analisi sono state ricavate utili considerazioni sui limiti di tale tecnica e in particolare delle numerose ipotesi semplificative
Il modello di simulazione è stato quindi evoluto tenendo in conto, attraverso un calcolo agli elementi finiti, della deformazioni elastiche che determinano una variazione dell’altezza del meato e di conseguenza del campo di pressione che così si va a determinare (regime di lubrificazione elasto-idrodinamica).
Il modello bidimensionale realizzato, sebbene rappresenti solo di uno dei molteplici meati presenti in una macchina a pistoni assiali, ha fornito alcuni primi risultati interessanti sul comportamento del meato di lubrificazione tra pattino e piatto inclinato ma ha soprattutto permesso di mettere a punto una procedura numerica assai complessa per l’analisi dei fenomeni di lubrificazione in presenza di deformazione delle pareti.
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Abstract
The subject of this thesis is the analysis of axial piston machines swashplate type, through an experimental and a numerical activity, with the purpose of analyzing and understanding deep in detail the behavior of that kind of machines.
These machines have been object of studies by many researchers with the goal of a continuous improvement in the performances. In particular the more important aspects are : the analysis of the total efficiency of the machine and the analysis of the influence on the efficiency of the main geometrical parameters, the analysis and the reduction of the noise and the study of the applications with variable displacement machines for the control of linear and rotative actuators.
In this work the analysis of two fundamental aspects of the machine has been achieved: the dynamic behavior and the efficiencies characterizations. In order to achieve these goals two different approaches have been adopted : 0-dimensional and bi-dimensional simulation.
The zero dimensional model permits to determine the piston chamber transient as a function of the geometrical and operative parameters. The knowledge of that transient leads to determine the flow and pressure ripple determined at the outlet of the machine, and hence the level of noise emitted (fluid born noise). On the other hand the pressure in the piston chamber determines the forces and couples exerted between the components (in particular the forces and couples exerted on the swashplate) that determine mechanical vibrations that are on other source of noise (structure borne noise).
This tool permits to calculate the tendency of the machines to auto reduce its displacement towards a variation of the operating pressure and speed. This represents the base for the simulation, the design and optimization of a control of the pump displacement, where normally a pressure signal (given by the user or internally by the control itself) determine a displacement variation depending on control strategy chosen.
The second part of this work has focused to the realization of a numerical model able to simulate the mechanical and volumetric efficiency of the machine. This required a different approach based on the bi dimensional analysis of the lubricating gaps and in particular the gap between the slipper and the swashplate.
The first approach lead to the solution of the Reynolds equation in a bi-dimensional domain (hydrodynamic lubrication regime) bounded by perfectly rigid surfaces and with constant fluid properties; this preliminary analysis leads to useful considerations on the limits of the approach and of the several hypotheses made. It has been showed that the hydrodynamic lubrication model by itself cannot explain the phenomena that characterize the lubrication in axial piston machines.
Then the model has been developed taking into account, through a FEM calculation, the elastic deformations that determine a variation in the gap height and hence a variation in the gap pressure field (elasto-hydrodynamic lubrication).
The bi-dimensional model, in the mind of the author and of his research group, represents the first step of a project that has the goal to build a bigger simulation model of the entire machine able to calculate the efficiencies, mechanical and volumetric, of an axial piston m
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