Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi dal titolo Progetto di un innovativo diffusore d’aria mobile per personal climatization nel veicolo è stato sviluppato nell’ambito del corso di Automotive Thermal Control tenuto dal Prof. Alberto Muscio ed è iniziato con l’attività di tirocinio aziendale svolta presso l’AMA (Accessori Macchine Agricole) S.p.A. – Divisione Instruments e sotto la supervisione dell’Ing. Paolo Cani. L’obiettivo principale è stato quello di delineare un progetto di ricerca volto alla prototipazione e allo sviluppo sperimentale di un diffusore d’aria mobile e delle sue logiche di funzionamento. Nello specifico, questo lavoro di tesi è stato focalizzato sullo studio dei sistemi di climatizzazione per il comfort termico, rivolgendo particolare attenzione alle tipologie convenzionali di diffusori d’aria, con il fine principale di proporre soluzioni progettuali innovative di diffusori d’aria mobili che siano in grado di indirizzare il flusso climatizzato direttamente sul conducente e sugli eventuali occupanti l’abitacolo.
Pertanto, dopo un’accurata analisi dello stato dell’arte sui sistemi di climatizzazione convenzionali e innovativi per il comfort termico, anche con riferimento alla documentazione brevettuale esistente, sono proposti tre differenti meccanismi per la movimentazione attuata e controllata in anello chiuso, del diffusore d’aria mobile da installare all’interno dell’abitacolo. In particolare, le prime due soluzioni ad 1 g.d.l. sono basate su un moto epicicloidale del diffusore, che è realizzato, rispettivamente, mediante un rotismo planetario e attraverso un meccanismo equivalente, ma facente uso di cinghie dentate.
Tuttavia, la scelta della soluzione progettuale ottimale di diffusore d’aria mobile è ricaduta su un meccanismo conosciuto come H-robot, in quanto basato su una struttura Cartesiana a 2 g.d.l., che è movimentata mediante due motori elettrici passo-passo in un’area di lavoro piana e rettangolare. Nello specifico, il diffusore rappresenta l’end-effector dell’H-robot e in quanto tale, esso può essere movimentato secondo due assi ortogonali X e Y mediante una cinghia dentata e quattro pulegge, di cui due motrici, le quali sono installate agli spigoli del telaio rettangolare. Inoltre, quattro ruote folli, su cui si avvolge la faccia piatta della cinghia dentata, sono installate agli spigoli del rettangolo traslante secondo l’asse Y su due guide lineari. La piastra dell’end-effector scorre su un’altra guida lineare secondo l’asse X ed è solidale e movimentata da un ramo di cinghia parallelo ad X. Infine, è stata sviluppata un’analisi termica di prima approssimazione per valutare il comfort termico nell’abitacolo ed in presenza di diffusori d’aria mobili del tipo di quello proposto e progettato con due motori di azionamento.
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Abstract
This thesis work, entitled Design of an innovative mobile air diffuser for personal air conditioning in the vehicle, was developed within the Automotive Thermal Control course that is given by Prof. Alberto Muscio and began with the company internship activity that was carried out at AMA (Agricultural Machinery Accessories) S.p.A. – Instruments Division and under the supervision of Dr. Eng. Paolo Cani. The main objective was to outline a research project aimed at the prototyping and experimental development of a moving air diffuser and its operating logic control. Specifically, this thesis work was focused on the study of air conditioning systems for thermal comfort, paying particular attention to conventional types of air diffusers, with the main aim of proposing innovative design solutions of moving air diffusers that are capable of addressing the air-conditioned flow directly toward the driver and the eventual occupants of the car cabin. Therefore, after a careful analysis of the state of the art on conventional and innovative air conditioning systems for thermal comfort, also with reference to the existing patent documentation, three different mechanisms are proposed for the actuated and closed-loop controlled movements, of the moving air diffuser to be installed inside the car cabin. In particular, the first two solutions with 1 d.o.f. are based on an epicyclic motion of the diffuser, which is achieved, respectively, by means of a planetary gear train and through an equivalent mechanism, but making use of timing belts.
However, the choice of the optimal design solution for a moving air diffuser fell on a mechanism that is known as H-robot, since it is based on a 2-d.o.f.s Cartesian structure, which is moved by two electric stepper motors in a planar and rectangular working surface. Specifically, the diffuser represents the end-effector of the H-robot and thus, it can be moved according to the two orthogonal axes X and Y by using a timing belt and four pulleys, two of which are driving, which are installed on the corners of the rectangular frame. Furthermore, four idle wheels, on which the flat surface of the timing belt wraps, are installed at the corners of the translating rectangle along the Y axis on two linear guides. The end-effector plate slides on another linear guide along the X-axis and it is moved by the timing belt. Finally, a first approximation thermal analysis was developed to evaluate the thermal comfort in the car cabin and in the presence of moving air diffusers of the type that are proposed and designed with two drive motors.
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