RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Soluzioni innovative per la riduzione del consumo energetico di circuiti idraulici per trattrici agricole

Università di riferimento

Politecnico di BARI - INGEGNERIA DELL'AMBIENTE E PER LO SVILUPPO SOSTENIBILE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonio Donato Maria Lippolis

Descrizione

All'interno degli obiettivi generali del presente progetto di ricerca, l'unità operativa del Politecnico di Bari si dedicherà allo studio ed all'ottimizzazione energetica del sistema idraulico di gestione della trazione delle trattrici agricole.
Le trattrici agricole attualmente in commercio, nella quasi totalità dei casi, utilizzano delle trasmissioni "Full Powershift", che consentono, per tutto il range di variazione della velocità, di passare da un rapporto di trasmissione ad un altro senza interrompere il flusso di potenza dal motore agli organi di trasmissione; ciò è reso possibile dall'uso di una serie di frizioni multidisco a bagno d'olio. Due alberi interessati alla trasmissione del moto sono collegati fra loro mediante più coppie di ruote dentate sempre ingranate, ma una sola di queste è quella responsabile della trasmissione del moto e della potenza per effetto della relativa frizione che risulta innestata, rimanendo folli le altre frizioni. È evidente che, istante per istante, una sola delle frizioni insistenti su di uno stesso albero può essere inserita, per cui particolare attenzione richiede la fase di variazione del rapporto di trasmissione, che comporta simultaneamente l'inserimento di alcune frizioni ed il disinserimento di altre. I cambi di rapporto possono coinvolgere una sola coppia di frizioni (Single swap), due coppie (Double swap) e addirittura tre coppie di frizioni (Triple swap). L’innesto od il disinnesto di ciascuna frizione è comandato da un pistone azionato idraulicamente che, vincendo la resistenza di una molla antagonista, è in grado di serrare fra loro i dischi della frizione. La problematica fondamentale è quella di dosare opportunamente la forza esercitata dai pistoni idraulici in modo da avere un passaggio il più graduale possibile da un rapporto ad un altro: a ciò provvede il sistema idraulico di gestione della trazione che comanda gli attuatori.
Gli obiettivi dell'attività di ricerca sono:
1) Mettere a punto una metodologia di simulazione in grado di prevedere accuratamente le condizioni di funzionamento della trasmissione. Ciò riveste notevole importanza per i costruttori di trattrici agricole, come ausilio per verifiche dei sistemi e progettazioni future; tutto ciò permetterà di abbattere i notevoli costi di lavoro e ricerca sui prototipi.
2) Proporre soluzioni innovative per il sistema idraulico di gestione, che pur rimanendo in questa tipologia di trasmissioni, siano in grado di ridurre il consumo energetico e migliorare la qualità dell’esercizio nonchè il confort di guida.
Già attualmente le trasmissioni “power shift” presentano, a livello di rendimento, un vantaggio di alcuni punti percentuali rispetto ad altre soluzioni; ma è pensabile che una loro ottimizzazione possa comportare il guadagno di un ulteriore 3-4%.
In tutte le fasi dell'attività di ricerca si interagirà costantemente con l’unità di ricerca dell’ IMAMOTER di Ferrara che con la sua esperienza più che quarantennale nel settore delle macchine agricole potrà fornire a tutte le unità di ricerca, ed in particolare alla presente, tutte le necessarie informazioni sui sistemi utilizzati sulle moderne trattrici agricole, sulle loro prestazioni e sulle aspettative ed esigenze che il mondo agricolo chiede alle stesse. Inoltre ci si confronterà con l'Unità Operativa dell'Università di Padova che si dedicherà alle trasmissioni Power Split che rappresentano una soluzione alternativa per il sistema di trasmissione della potenza nelle trattrici agricole, sicuramente meno utilizzato allo stato attuale, ma che per il futuro può diventare una soluzione competitiva.
L'attività di ricerca prevede una fase preliminare di approfondimento dei principali sistemi utilizzati sulle trattrici attualmente in commercio, con particolare attenzione all'analisi funzionale ed energetica del circuito idraulico. A tal fine, si partirà dalla modellazione del comportamento delle frizioni e, facendo riferimento all'ipotesi del Reye, si ricaverà una relazione fra coppia trasmessa e forza assiale di serraggio sia in fase di azionamento che di rilascio della frizione (per problemi di isteresi è pensabile che non sia possibile utilizzare una unica relazione). Nella simulazione del circuito idraulico di azionamento delle frizioni si farà frutto della notevole esperienza, maturata dal gruppo di Bari, nella caratterizzazione dinamica di valvole e componenti idraulici. Si utilizzeranno sia codici commerciali, sia codici messi a punto ad hoc dal gruppo di ricerca, ma il codice finale di simulazione sarà riportato in Ame-sim che è stato assunto come ambiente standard di simulazione per tutte le Unità di ricerca. Alla simulazione globale dell'intero circuito, è prevedibile che sarà necessario accoppiare una simulazione particolareggiata, mediante codici CFD, del flusso all'interno dei componenti più delicati (valvole anti-shock, valvole di inserzione, ecc.), settore nel quale il gruppo di ricerca ha raggiunto una posizione di assoluto rilievo internazionale. Con linguaggio non prettamente corretto ma efficace, si può affermare che l'uso di queste valvole permette una regolazione passiva del circuito e maggiore gradualità della fase di inserzione: è proprio l'uso di queste valvole che fa preferire l'oleodinamica ad altre tecnologie concorrenti, quali la meccanica pura o l'elettronica pura od anche una loro combinazione. Nello stesso tempo, la progettazione ottimale e la taratura di questi componenti richiedono il calcolo, con notevole precisione, delle forze fluidodinamiche e dei coefficienti di efflusso, che solo un codice CFD è in grado di fornire.
Sulla base dei risultati numerici ottenuti dalla simulazione dei circuiti idraulici maggiormente utilizzati sulle trattrici agricole attualmente in commercio, saranno proposte delle varianti innovative ai circuiti di controllo delle trasmissioni, varianti finalizzate alla riduzione dei consumi energetici e al miglioramento delle condizioni di guida ed esercizio del veicolo. Il criterio di ottimizzazione sarà finalizzato al raggiungimento di una accelerazione costante degli alberi interessati al moto e, conseguentemente, ad un andamento lineare e monotono delle velocità angolari. Qualsiasi oscillazione delle velocità angolari rappresenta una energia meccanica che viene accumulata sotto forma di energia cinetica degli organi rotanti e successivamente viene dissipata in calore per effetto dell'attrito fra i dischi della frizione. Inoltre le oscillazioni di velocità degli organi rotanti, inevitabilmente, danno origine a vibrazioni che si ripercuotono negativamente sul confort di guida e sulla qualità di esercizio della trattrice, oltre che su sollecitazioni indesiderate degli organi meccanici.
Particolare attenzione sarà rivolta anche agli aspetti controllistici dato che, come mostrato in letteratura, il controllo in anello chiuso della pressione dell'olio negli attuatori idraulici che comprimono e rilasciano le frizioni determina dei notevoli miglioramenti prestazionali in fase di cambio marcia.
Tutte le soluzioni proposte saranno adeguatamente simulate e confrontate al fine di evidenziare pregi e difetti. Ciò permetterà di orientare con efficacia ed efficienza la successiva fase di sperimentazione, concentrando l'attenzione su quelle strategie con maggiori probabilità di successo.
Alla ricerca di tipo Teorico-Numerico, farà seguito infatti una attività sperimentale nella quale, anche con l'ausilio di alcune Case Costruttrici operanti nel settore, si procederà alla verifica sperimentale dei circuiti attualmente utilizzati e di quelli proposti su di un banco prova per trasmissioni idrostatiche, già esistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale, che sarà opportunamente modificato.
Il banco prova nella attuale configurazione è costituito da:
1) Un motore elettrico a numero di giri variabile da 60 kW che funge da generatore di potenza;
2) Una trasmissione idrostatica costituita da una pompa a cilindrata variabile ed un motore idraulico, entrambi a pistoni assiali a piatto inclinato con cilindrata massima pari a 46 cc.
3) Un freno elettromagnetico a correnti parassite che presenta una potenza massima di 140kW ed una coppia massima di 400 Nm;
4) Due torsiometri TEKKAL che presentano le seguenti aratteristiche: campo di misura -250 - +250 Nm, velocità max 5000 RPM, risposta in frequenza 1 KHz, accuratezza dell’ 1% f.s.;
5) Un elevato numero di trasduttori di pressione con valori del fondo scala variabili tra 2 e 50 MPa; accuratezza dello 0.1% f.s.
6) Due Encoder rotativi digitali con uscita in frequenza TTL compatibile da 1000 imp/giro;
7) Due Misuratori di portata ad ingranaggi con un fondo scala, rispettivamente, di 18 e 90 l/min; accuratezza dello 0.1% f.s.
Il banco prova è completamente automatizzato e la stazione di controllo ed acquisizione è costituita da:
1) un PC AMD Athlon 64 3200+ con 1 GB di RAM ed una frequenza di clock di 2,2 GHz;
2) una scheda di acquisizione PCI-MIO-16E-1 della National Instruments con 16 canali analogici di ingresso e 2 canali analogici di uscita ed una frequenza di acquisizione di 1.25 MHz, 8 linee digitali, 2 clock a 24 bit da 20 MHz;
3) altre schede di acquisizioni per i canali in frequenza e per il controllo dei relè;
Il controllo, l'acquisizione e la visualizzazione dei risultati sono perseguiti su piattaforma LabVIEW.
Si prevede di montare la trasmissione "Full Powershift" fra il motore idraulico della trasmissione idrostatica ed il freno elettromagnetico; i circuiti idraulici di comando della trasmissione saranno alimentati con una pompa ausiliare esterna. La maggior parte del materiale inventariabile previsto nel progetto economico della presente Unità sarà destinato a queste implementazioni del Banco Prova. Particolare attenzione sarà rivolta agli encoder rotativi, ai quali sarà richiesta una notevole accuratezza se dall’acquisizione delle posizioni angolari si vuol risalire con sufficiente precisione alle accelerazioni istantanee e alla loro derivata (Jerk) su cui, come già detto, si vuol basare il processo di ottimizzazione. Si pensa di utilizzare encoder da 2500 impulsi/giro.
Sullo stesso Banco Prova l’Unità operativa dell’Università degli Studi di Padova svolgerà la fase sperimentale sulle trasmissioni “power split”; l’unicità del Banco Prova su cui verranno svolte le attività sperimentali relative alle due soluzioni alternative di trasmissione della potenza di trazione permetteranno un proficuo confronto fra le due Unità di ricerca ed una più facile individuazione dei pregi e difetti che ciascuna comporta.
L'attività di ricerca si concluderà con il confronto dei risultati ottenuti sperimentalmente con quelli della simulazione numerica, ciò al fine di perfezionare i codici di simulazione messi a punto nella prima fase di ricerca ed ottenere una sufficiente accuratezza ed affidabilità degli stessi, tale da renderli un valido strumento progettuale.
La ricerca, distribuita nel corso di due anni, prevede pertanto nel primo anno un'attività di tipo teorico-numerico, volta alla caratterizzazione dei componenti e dell’intero impianto costitutivo delle trasmissioni Full Power Shift.
Al termine del primo anno si prevede un meeting di tutte le unità di ricerca per l’analisi e confronto dei codici di simulazione da queste prodotti, individuando pregi e difetti degli stessi, con la possibilità di mettere a disposizione di tutte le unità le esperienze maturate. In questa occasione l'Unità di Bari conferirà il modello di simulazione sviluppato all'unità di Ricerca CNR-Imamoter, la quale lo utilizzerà per la costruzione del modello di simulazione dell'intero veicolo (in ambiente AMESim). Sulla base dell’analisi dell’attività svolta nel primo anno e della lunga esperienza nel settore delle macchine agricole dell'Unità CNR-Imamoter si definirà l’attività di ricerca del secondo anno, in particolare si individueranno i miglioramenti da apportare ai codici di simulazione e si individuerà una ben precisa tipologia di trattrice agricola a cui si farà riferimento per perseguire possibili miglioramenti progettuali.
Durante il secondo anno di attività, in parallelo all’attività numerica tesa al miglioramento dei codici sviluppati nel primo anno di lavoro e all’applicazione degli stessi alla nuova tipologia progettuale individuata nel meeting, sarà sviluppata l’attività sperimentale in laboratorio per verificare la validità delle soluzioni proposte e l’affidabilità dei codici di simulazione. Infine, nell’ipotesi di un partner industriale disponibile ad implementare le innovazioni proposte sui trattori di propria produzione, si procederà alle verifiche sperimentali sul campo.