Riassunto analitico
Durante gli ultimi decenni le prestazioni dei motori a combustione interna hanno visto un costante aumento. Contemporaneamente si ha sempre maggiore attenzione agli aspetti inerenti all’efficienza e all’affidabilità dei componenti.
In particolare, i contatti lubrificati rappresentano una delle principali fonti di perdite per attrito che limitano l’efficienza del motore. Di conseguenza, lo sviluppo di metodologie per l’analisi dei contatti lubrificati è considerato un imperativo per il settore automotive.
Durante l’ attività di dottorato di ricerca è stata impiegata una formulazione complementare del problema elastoidrodinamico in presenza di cavitazione per l’analisi dei contatti lubrificati all’interno dell’imbiellaggio di un motore a combustione interna.
Il problema idrodinamico è stato affrontato usando una formulazione complementare dell’equazione di Reynolds, le variabili complementari sono la pressione idrodinamica e la frazione di vuoto. La corretta descrizione del fenomeno della cavitazione e la predizione della transizione tra la zona cavitata e la zona attiva è garantita dalla natura complementare del problema, inoltre l’approccio complementare garantisce la conservazione della massa e l’ottenimento di una soluzione esente da problemi di convergenza.
La formulazione complementare dell’equazione di Reynolds è stata migliorata in maniera tale da gestire anche la deformazione elastica dei corpi a contatto. In particolare l’elasticità dei corpi è analizzata sfruttando le matrici di cedevolezza condensate estratte da un modello agli elementi finiti.
Nelle applicazioni soggette ad elevate carichi si può manifestare un contatto diretto tra le superfici dei corpi. In questi casi il carico esterno è sostenuto in parte dalla pressione del fluido ed in parte dal contatto diretto tra le creste delle superfici. L’algoritmo sviluppato è stato ulteriormente migliorato in maniera tale da gestire anche la possibilità di un contatto diretto tra i corpi a contatto.
Anche il problema del contatto secco è stato descritto nella forma di un problema complementare, in questo caso le variabili complementari sono la pressione di contatto secco e la distanza tra le superfici dei corpi a contatto.
L’algoritmo è stato successivamente applicato per l’analisi dei contatti lubrificati presenti all’interno degli imbiellaggi dei motori a combustione interna in maniera tale da predirre l’affidabilità dei diversi componenti.
In particolare sono stati approfonditi due dei principali meccanismi di danno comunementi osservati nei motori a combustione interna: a) l’usura dovuta al contatto diretto tra i corpi, in particolare nel piede di biella e b) il danno da cavitazione che si può verificare nella bronzina della testa di biella.
Il piede di biella è una delle parti del motore più critiche dal punto di vista tribologico. In applicazioni molto caricate è spesso presente un'usura severa del piede di biella a causa del contatto diretto tra le superfici a contatto che può compromettere l’affidabilità del componente.
Un indice di danno (DCDI), basato sul valore di pressione di contatto diretto tra le asperità delle superfici è stato proposto e testato su un caso di prova reale.
D'altro canto, il fenomeno del danno da cavitazione del lubrificante all’interno della testa di biella è stato analizzato in dettaglio. Nonostante il fatto che non esiste una teoria universalmente accettata, è chiaro che il danno da cavitazione si verifica a causa del collasso delle bolle di vapore in prossimità di una superficie solida.
Anche in questo caso è stato proposto un indice di danno da cavitazione (CDI), basato sull'ipotesi che il danno si verifica a causa del collasso delle bolle di vapore e può essere correlato alla dimensione della bolla valutata poco prima riformation del fil fluido.
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Abstract
In the present contribution a complementarity formulation of the elastohydrodynamic problem in presence of cavitation have been proposed. The elasto-hydrodinamic problem is tackled using a formulation based on the solution of the Reynolds equation, suitably recast in terms of two complementarity variables, namely the hydrodynamic pressure and the void-fraction. The correct prediction of the cavitation and the location of the boundaries between cavitated and active areas is guaranteed by the complementarity nature of the two chosen variables and the approach naturally guarantees mass conservation and unconditional convergence. The HL complementarity formulation of the Reynolds equation has been improved to handle the elastic deflections of the contacting bodies. The EHL problem is numerically solved using a weak formulation based on the Finite Element Method.When the load capacity of the fluid film is not able to sustain the external loads, a direct contact between the solid surfaces asperities occurs. In this case, the supporting load is provided partly by the hydrodynamic oil film pressure and partly by the asperities dry contact pressure. This lubrication regime is well known as the mixed lubrication regime.
Therefore, the proposed algorithm have been further improved including the possibility to handle a direct contact between the surfaces asperities. In particular, the mixed lubrication problem has been described in terms of a complementarity problem, being the two complementarity variables the dry contact pressure and the gap between the mating surfaces.
The proposed algorithm have been employed for the analysis of lubricated contact of different engine components in order to predict the reliability of this joints.
In particular two of the mains causes of failure in lubricated contacts has been analyzed in detail, the wear due to direct metal to metal contact has been investigated in the analysis of the conrod small-end and the cavitation damage in the analysis of the conrod big end bearing.
The conrod small-end bearing is one of the most critical engine parts from a tribological point of view. In the conrod small-end, the relative rotational speed is low and a complete rotation between the mating surfaces does not occur. Therefore, the dominant effect in the lubrication of the small-end is the film squeeze caused by the alternating combustion/inertial loads, acting on the coupling, while sliding hydrodynamic effects are negligible.
On the other hand the phenomenon of the damage caused by the onset of cavitation bubbles within the lubricant fluid film in engine bearings has been analyzed in detail. With the increase of the engine performance, rotational speed and combustion/inertial loads, the cavitation of the lubricant in the conrod big-end bearing plays a crucial role in the bearing durability assessment. Despite the fact that an universally accepted theory does not exist, it is clear that the cavitation damage occurs due to the rapid and violent collapse of the vapour bubbles in proximity of a solid boundary.
A cavitation damage index (CDI) has been proposed, based on the accepted hypothesis that the damage occurs due to the rapid and violent collapse of the vapour bubbles in proximity of the bearing inner surface, and it can be related to the bubble dimension evaluated just before the film reformation.
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