Aspetti idraulici di pompe olio elettriche: Sperimentazioni e Modellazioni Analitiche

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Corso di laurea in INGEGNERIA MECCANICA Indirizzo Veicoli Terrestri

Tesi di laurea

Aspetti idraulici di pompe olio elettriche:

Sperimentazioni e Modellazioni analitiche.

Elisa Bartalesi

RELATORI:

Prof. Marco Beghini

Prof. Paola Forte

Ing. Ph. D. Francesco Frendo

Ing. Ph.D. Raffaele Squarcini

Sessione di laurea del 16/06/2010 Anno Accademico 2009/2010

Titolo della tesi

“Aspetti idraulici di pompe olio elettriche:

Sperimenta

zioni e Modellazioni analitiche”

Di Elisa Bartalesi

Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di

DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA

Presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa 16 giugno 2010 Autore: Elisa Bartalesi Approvata da: Prof. Marco Beghini Prof. Paola Forte

Ing. Ph. D. Francesco Frendo Ing. Ph.D. Raffaele Squarcini

A mamma. … e a tutti quelli che ci hanno sempre creduto più di me.

Sommario

Gli obiettivi di questo studio sono la caratterizzazione sperimentale di una pompa olio volumetrica ad ingranaggi per impieghi automobilistici di tipo gerotor e la creazione di un modello analitico che riesca ad essere predittivo, già in fase di progettazione, delle prestazioni della pompa stessa. Il lavoro di sperimentazione ci ha permesso di ottenere, attraverso opportuna strumentazione, dati di coppia assorbita e portata elaborata dalla pompa al variare della pressione imposta alla mandata, del numero di giri della pompa, dei giochi rispettivamente assiali e tra i denti dei rotori, della temperatura dell’olio elaborato dalla pompa. La parte di modellazione analitica si è concentrata particolarmente sull’ottenimento del valore di coppia assorbita dalla pompa. Il modello analitico è stato sviluppato sulla base di “ingredienti elementari” afferenti alla meccanica applicata tra i quali: analisi geometriche/cinematiche per la determinazione della forma dei meati tra i denti degli ingranaggi, teorema di Bernoulli, equazione di Poiseuille, definizione di fluido Newtoniano. Lo scopo è garantire corretti dati di input per il dimensionamento del motore elettrico che, accoppiato alla pompa, le conferirà il moto. La validazione del modello è stata poi eseguita confrontando i dati ottenuti analiticamente con i risultati sperimentali e con quelli ottenuti da una simulazione numerica portata avanti, in parallelo al lavoro di tesi, internamente all’azienda.

Abstract

The aims of this study are the experimental characterization of a volumetric oil gear pump for automotive and the creation of an analytic model able to predict pump performance during design step. The experimental job allows us to obtain, by using some sensors, adsorbed torque and delivery flow rate depending on delivery pressure, pump number of revolutions, axial and tooth clearances, oil temperature. The analytical model target is, first of all, absorbed torque data. The analytical model has been developed based on “basic elements” related to applied mechanics like: geometrical and kinematical analysis to obtain tooth clearances shape, Bernoulli theorem, Poiseuille equation, Newtonian fluid definition. The aim is to guarantee reliable data for a correct sizing of the electric motor which will drag the oil pump. Model validation is made matching experimental and analytic data with those obtained from a computational fluid dynamics simulation carried on by internal company resource.

Indice

Indice

Introduzione

Capitolo 1 1

Caratterizzazione sperimentale di una pompa gerotor

1.1 Introduzione 1

1.2 Descrizione dell’apparato sperimentale 4

1.3 Piani di prova 8

1.4 Risultati 9

1.4.1 Problematiche legate alle misurazioni 9

1.4.2 Risultati della campagna di prove di caraterizzazione 18

Capitolo 2 36

Analisi CFD della pompa gerotor

2.1 Introduzione 36

2.2 Risultati della simulazione 39

Capitolo 3 43

Modellazione analitica delle coppie assorbite dalla pompa gerotor

3.1 Introduzione 43

3.2 Componente meccanica 44

3.3 Componente fluido-viscosa 47

3.3.1 Meato assiale tra i rotori e il corpo pompa 47 3.3.2 Meato radiale tra il colletto del rotore interno e la sua sede 54

3.4 Componente idraulica 56

3.5 Coppia complessivamente assorbita dalla pompa 57

3.6 Calcolo delle efficienze totali 59

3.6.1 Determinazione analitica del rendimento volumetrico 59 3.6.2 Determinazione analitica del rendimento meccanico-idraulico 68

Capitolo 4 71 Conclusioni

Appendice A 73

Disegni costruttivi della pompa volumetrica con ingranaggi gerotor

Appendice B 76

Caratteristiche principali dei sensori utilizzati

Appendice C 80

Esempio per la rilevazione del gioco tra i denti dei rotori

Appendice D 81

Diagrammi ottenuti da prove sperimentali

Appendice E 89

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Introduzione

Le attività svolte con Pierburg Pump Technology Italy Spa, nella sede di Livorno, durante la tesi, possono essere raccolte in due aree tematiche principali, una riguardante la sperimentazione e l’altra la modellazione analitica di pompe volumetriche ad ingranaggi elettro-attuate.

In ambito aziendale sono state svolte anche simulazioni numeriche che hanno riprodotto le indagini sperimentali.

Le pompe comunemente utilizzate per la lubrificazione garantiscono una portata di olio proporzionale alla velocità di rotazione dell’albero motore cui sono direttamente o indirettamente (tramite un albero di rinvio) collegate.

Questo comporta, in virtù della cilindrata fissa delle pompe usate, la disponibilità di una quantità di olio corretta all’avvio (il dimensionamento è infatti eseguito sulla base delle portate richieste a bassa velocità e ad alta temperatura) e un surplus alle alte velocità con conseguente e indesiderato aumento di pressione nel sistema di lubrificazione, solitamente evitato mediante l’utilizzo di valvole di limitatrici di pressione.

La presenza di valvole di questo tipo, che smaltiscono l’eccesso di portata verso il serbatoio, determina ulteriore consumo di energia.

Allo scopo di svincolare il funzionamento dell’impianto di lubrificazione dalla velocità di rotazione del motore del veicolo, la tendenza è quella di accoppiare la pompa ad un motore elettrico autonomo.

Il principio su cui si basa la scelta dell’utilizzo di pompe elettro-attuate è quello di garantire un flusso di olio sufficiente per la lubrificazione e il raffreddamento del motore, indipendentemente dal regime di rotazione del motore stesso.

L’utilizzo di pompe elettro-attuate, in particolare piccole come quella testata, garantisce miglioramenti in termini di prestazioni ed efficienza e contribuisce alla riduzione di consumo di carburante mediante l’eliminazione della valvola limitatrice e l’ottimizzazione del flusso di olio attraverso il sistema.

La pompa in esame (di cui è stato realizzato e testato, in realtà, un prototipo che riproduce la geometria della pompa reale solo per quanto riguarda la parte idraulica, mentre i canali di ingresso ed uscita dell’olio sono creati ad hoc per permettere il collegamento e l’interfaccia con il banco prova) è una pompa volumetrica rotativa, caratterizzata da un valore di cilindrata fisso. La pressione viene imposta alla pompa dall’esterno.

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Si tratta di una pompa caratterizzata da due ingranaggi gerotor in acciaio (realizzati per tornitura, la geometria della dentatura è stata ottenuta per elettroerosione e quindi la forma definitiva tramite rettifica), uno interno a dentatura esterna calettato direttamente sull’albero che lo porta in rotazione, e uno esterno a dentatura interna trascinato dal primo, racchiusi tra il corpo e il coperchio della pompa (realizzati in alluminio).

Detto N il numero di denti del rotore esterno, il rotore interno è caratterizzato da un numero di denti pari a (N-1), motivo per cui la velocità di rotazione del rotore esterno risulta inferiore a quella del rotore interno di un valore pari al rapporto di trasmissione.

Mettendosi in un riferimento solidale con la ruota interna, si vedrà la ruota esterna compiere un moto composto da una prima rotazione attorno al proprio centro (O1) e da un secondo

moto circolare di O1 attorno ad O2 (centro della ruota esterna), in pratica la ruota esterna

compie un moto orbitale attorno alla ruota interna.

La forma dei denti è tale da assicurare un contatto strisciante continuo tra le superficie dei due rotori, in modo da garantire una tenuta costante durante il funzionamento.

Il design di questo tipo di pompe garantisce, oltre a semplicità e robustezza, una riduzione della rumorosità rispetto, in particolare, a pompe ad ingranaggi esterni.

In termini di funzionamento: mentre i rotori ruotano, i denti sul lato aspirazione che non ingranano formano un volume in espansione, a causa del quale viene creato un vuoto parziale tale da permettere l’ingresso dell’ olio sotto la spinta della pressione atmosferica.

Lo spazio tra i denti continua ad aumentare durante i primi 180° di rotazione completa, partendo da un angolo zero identificato dalla posizione in cui la camera formata tra i denti ha volume minimo. L’olio viene quindi trasportato sul lato opposto della pompa dove i denti

Fig. I: immagine 3D dei rotori interno ed esterno della pompa

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iniziano ad ingranare, determinando una riduzione del volume disponibile per il fluido e causandone l’espulsione.

La caratteristica forma “a fagiolo” delle luci contribuisce a favorire la tenuta garantita dal continuo contatto tra i denti, separando la zona di mandata da quella di aspirazione.

La pompa in esame è caratterizzata da dimensione ridotte e cilindrata conseguentemente piccola (pari a 1.77 cc/rev).

Fig. II : immagine delle componenti fondamentali costituenti la pompa.

L’ impiego previsto è quello come pompa per la lubrificazione della trasmissione o come pompa ausiliaria (ai bassi giri).

E’ auspicabile la massima riduzione possibile in termini di dimensioni per favorire la limitazione della spesa energetica e migliorare l’efficienza complessiva.

Obiettivi della tesi sono stati la caratterizzazione sperimentale della pompa stessa e lo sviluppo di un modello analitico che permetta la previsione dell’assorbimento di coppia già in fase di progetto. Questo è infatti indispensabile per un corretto e quanto più preciso possibile dimensionamento del motore elettrico dedicato al trascinamento della pompa.

Una sottostima del valore di coppia assorbito dalla pompa determinerebbe infatti la scelta di un motore elettrico non in grado di fornire la potenza necessaria in alcune fasi critiche di funzionamento come l'avvio della pompa con basse temperature dell'olio, d’altra parte una sovrastima vanificherebbe lo sforzo fatto per ottenere una riduzione dei consumi: un motore dalle prestazioni maggiori ha tendenzialmente anche dimensioni maggiori e determina una spesa energetica superiore.