1. Introduzione.
1.1. Pompe olio per impieghi “automotive”.
Le pompe sono macchine operatrici che elaborano un fluido al quale trasferiscono energia meccanica prelevata dall’esterno. Diversamente dai compressori che operano su gas e vapori, le pompe non rientrano nella categoria delle macchine termiche in quanto le variazioni di temperatura che si riscontrano nel liquido trattato sono molto modeste ed eventuali scambi con l’esterno non modificano in maniera apprezzabile il lavoro di compressione [ref. 4].
La pompe olio sono macchine operatrici che aspirano fluido a bassa pressione e lo inviano alla linea ad alta pressione generando una portata Q di fluido ed assorbendo una coppia C sull’albero motore. Le principali funzioni che una pompa olio deve assolvere sono:
- garantire una corretta lubrificazione a tutte la parti del motore con adeguati valori di portata e pressione;
- assicurare il raffreddamento dell’olio in tutte le condizioni di funzionamento.
In linea generale le pompe si possono dividere in due grandi famiglie: pompe dinamiche e volumetriche. Delle prime fanno parte le pompe centrifughe e quelle ad elica; nelle pompe dinamiche l’incremento di pressione tra aspirazione e mandata è dovuto alla presenza, all’interno della pompa, di una girante che conferisce al fluido l’energia necessaria per dar luogo all’incremento di pressione.
L’energia che può essere trasferita ad ogni giro è limitata e di conseguenza anche l’incremento di pressione. Per realizzare salti di pressione più elevati è necessario incrementare il numero degli stadi con conseguente aumento delle dimensioni della pompa. Questo tipo di funzionamento non risulta applicabile nell’oleodinamica dove viene trasferita al fluido un’elevata quantità di energia e si raggiungono anche pressioni di 200 – 500 stm.
Pompe volumetriche.
Le pompe volumetriche sono generatori di portata, l’incremento di pressione non è un fatto intrinseco della pompa, come nelle dinamiche, ma dipende dalla resistenza che incontra all’interno del circuito oleodinamico. Ad ogni rotazione dell’albero, la pompa volumetrica trasferisce un volume ben
meccanismo. In una pompa a cilindrata fissa, standard, questa relazione non può essere modificata;
pertanto la variazione della portata avviene in seguito alla modifica dalla velocità di rotazione. In una pompa a cilindrata variabile, innovativa, è presente un dispositivo di regolazione che comanda la posizione relativa dei pezzi interni, anch’esso influenzato dalla velocità di rotazione.
Le pompe volumetriche sono suddivise a loro volta in due categorie: pompe alternative e pompe rotative.
Pompe alternative.
Nelle pompe alternative, figura 1.1, il trasposto del fluido dall’aspirazione alla mandata viene realizzato con il movimento alternativo di un pistone. Queste pompe sono composte da un cilindro, sul quale sono ricavate le sedi delle valvole di aspirazione e mandata, all’interno del quale scorre un pistone.
Aspirazione Mandata
Figura 1.1. Pompa volumetrica alternativa.
L’olio entra all’interno della camera a causa del vuoto che si crea durante la corsa verso sinistra del pistone e viene espulso attraverso la valvola di mandata durante la corsa successiva. Poiché la portata viene inviata solo durante la metà del tempo di lavoro, queste pompe sono caratterizzate da una portata pulsante; la regolarità può essere incrementata aumentando il numero di cilindri. Questa tipologia di pompa permette di raggiungere grandi pressioni ma ha una portata irregolare, caratteristica che non la rende adatta all’impiego nel settore veicolistico.
Pompe rotative ad ingranaggi.
Le pompe rotative a loro volta si dividono in pompe ad ingranaggi, pompe a palette e pompe a vite. Le pompe ad ingranaggi, “gear pumps” costituiscono la categoria di pompe finora maggiormante utilizzate per impieghi automotive; sono costituite da un pignone conduttore ed un pignone condotto riuniti in un carter appositamente costruito. Nel caso di ingranaggi a dentatura esterna, figura 1.2, i pignoni ruotano in senso opposto ed ingranano in una zona tra il foro di aspirazione e il foro di mandata.
Aspirazione Mandata
A
B
Figura 1.2. Pompa volumetrica rotativa ad ingranaggi.
Quando i denti dei due pignoni si separano creano un vuoto parziale all’interno della camera (A) in seguito al quale si ha l’ingresso del fluido, che viene trattenuto tra i denti dei pignoni ed il carter e spinto attraverso due vie circolari simmetriche nella camera (B). Qui i denti vengono di nuovo in presa tra di loro spingendo il fluido alla mandata. L’ingranamento preciso dei denti dei pignoni assicura la tenuta perfetta tra aspirazione e mandata minimizzando le perdite interne. L’architettura di queste pompe risulta semplice ma estremamente massiccia e sicura per l’assenza di moti relativi di strisciamento, caratteristici delle pompe a palette. A fronte di un minor costo e di una maggiore resistenza, questa tipologia di pompe è caratterizzata da una portata meno uniforme, rispetto alle pompe a palette, che comporta una certa rumorosità ed irregolarità di pressione che possono indurre vibrazioni.
Esistono molti tipi di pompe ad ingranaggi in base al tipo di profilo utilizzato per il dente ed alla posizione relativa dei sue rotori.
Pompe rotative a palette
Palette Rotore
Corpo
Mandata Albero
Aspirazione
Figura 1.3. Pompa volumetrica rotativa a palette..
Le pompe a palette, figura 1.3, sono costituite da un rotore, in cui sono state praticate delle scanalature, trascinato da un albero. In ogni scanalatura scorre in senso radiale una paletta piana rettangolare; rotore e palette sono racchiusi in un carter la cui superficie interna è eccentrica rispetto all’asse di rotazione dell’albero motore. Durante la rotazione del rotore le palette, a causa della forza centrifuga, sono premute contro la superficie interna del carter e ne seguono il profilo. In questo modo lo spazio compreso tra rotore e carter viene suddiviso in una serie di camere aventi differenti dimensioni, secondo la posizione angolare da esse occupata nel carter. L’aspirazione del fluido avviene nel lato in cui le camere hanno volume crescente, in seguito al vuoto creato da questa espansione il fluido entra all’interno della pompa. Il fluido viene trattenuto tra palette e trasportato fino alla mandata dove le camere hanno volume decrescente. Le pompe a palette possono distinguersi in pompe non equilibrate, quando l’azione di pompaggio avviene in camere che stanno tutte dal medesimo lato del rotore, e pompe equilibrate, in questo caso il carter è ovale e presenta due zone separate di pompaggio opposte rispetto al rotore in modo che gli sforzi siano equilibrati.
Pompe rotative a vite.
Le pompe a vite, dette anche a pistoni rotanti, sono di due tipi: a pistoni assiali e a pistoni radili.
Data la loro scarsa rilevanza non verranno trattate in questa sede e per un approfondimento si rimanda alla consultazione di testi specifici.
Pompe in asse ed a rinvio.
Un’ulteriore classificazione delle pompe può essere fatta distinguendole tra pompe in asse e pompe a rinvio sulla base del meccanismo con cui viene preso il moto. Le pompe in asse prendono il moto direttamente dall’albero motore, svolgendo, in molti casi, anche la funzione di chiudere il blocco motore. Le pompe a rinvio invece sono mosse da una catena che a sua volta prende il moto dall’albero motore. Una caratteristica di questa tipologia di pompe consiste nel fatto di poter generare, a parità di cilindrata, una portata maggiore in quanto, utilizzando ingranaggi più piccoli, può funzionare ad una velocità di rotazione più elevata rispetto all’albero motore.
1.2. Obiettivi e contenuti della tesi.
Il presente lavoro di tesi è stato svolto all’interno della società Pierburg spa con sede a Livorno.
L’ente Ricerca e Sviluppo di Pierburg spa segue lo sviluppo di pompe olio, pompe acqua e pompe a vuoto (depressori) con l’obiettivo prioritario di progettare prodotti innovativi, affidabili e tecnologicamente avanzati che permettano la competività sui principali mercati. La lunga e consolidata esperienza nella progettazione di pompe olio per impieghi “automotive” fa dello stabilimento di Livorno uno dei principali poli europei per la componentistica auto.
L’oleodinamica, in particolare quella veicolistica, si è rivolta sinora a tipologie di pompe olio standard, e i principali obiettivi perseguiti nella progettazione riguardavano le prestazioni e l’affidabilità, in modo da garantire una durata del componente almeno pari a quella del veicolo. Negli ultimi anni le richieste da parte del mercato sono andate modificandosi pertanto a parità di prestazioni e di affidabilità dei componenti si richiedono prodotti sempre più innovativi senza dimenticare le sempre
più stringenti normative antinquinamento. Queste problematiche hanno portato allo sviluppo di pompe olio a cilindrata variabile per impieghi veicolistici.
Nella tesi viene affrontato il problema dei picchi di pressione che rappresenta solo uno dei tanti aspetti connessi alla progettazione di pompe e non costituisce una peculiarità delle pompe a cilindrata variabile, ma può essere considerato, con entità più o meno rilevanti, un luogo comune all’interno delle macchine operatrici.
Lo studio è stato applicato ad una pompa olio a palette a cilindrata variabile per impiego su mezzi pesanti. All’interno della tesi possono essere rintracciati due macro-argomenti; la prima parte (capitoli 2, 3, 4, 5) tratta il problema della riduzione dei picchi di pressione, mentre nella seconda parte (capitoli 6, 7, 8) viene affrontato il problema di ridurre gli effetti di tali picchi che risultano nel danneggiamento dei componenti per cavitazione erosione.
In particolare, nel capitolo 2 viene trattata la problematica delle pompe a cilindrata variabile e viene data un’accurata descrizione del principio di funzionamento e di regolazione della pompa oggetto del presente studio.
Nel capitolo 3 viene analizzato il principio di funzionamento delle pompe a palette a cilindrata variabile, con particolare attenzione all’influenza dei parametri geometrici e delle forze interne sulle prestazioni della pompa.
Nel capitolo 4 sono illustrate le modifiche strutturali ritenute più influenti ai fini della riduzione dei picchi di pressione e viene impostata l’attività di sperimentazione .
Nel capitolo 5 vengono analizzati i risultati degli esperimenti attraverso la rappresentazione nel dominio temporale e della frequenza, utilizzando gli strumenti dell’analisi dei segnali.
La seconda parte ha consistito essenzialmente in un’attività di ricerca, all’interno della letteratura scientifica, al fine di comprendere meglio quali sono i fenomeni alla base dei processi di cavitazione erosione e di individuare possibili correlazioni con le proprietà meccaniche dei materiali metallici e con la loro microstruttura. Data la vastità e specificità dell’argomento, l’attenzione è stata rivolta verso le leghe di alluminio (materiale utilizzato per la pompa) ed in particolare alla ricerca di soluzioni tecnologiche nel campo dei trattamenti e rivestimenti superficiali più idonee per incrementare la resistenza alla cavitazione erosione, corredate da una documentata validità sperimentale. Per motivi di tempo è stato possibile inserire nella tesi solo un inizio di attività sperimentale a riguardo, ma l’intero lavoro vorrebbe costituire una buona base di partenza per sviluppi futuri.
