RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - TECNICA E GESTIONE DEI SISTEMI INDUSTRIALI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alarico Macor

Descrizione

Nell'ambito del presente progetto di ricerca, l'unità operativa dell'Università di Padova si dedicherà allo studio e all'ottimizzazione energetica di trasmissioni di tipo "power split" per trattrici agricole. Si tratta di una trasmissione combinata composta da una unità idrostatica e da una unità meccanica epicicloidale. È noto che la trasmissione idrostatica consente la variazione continua della velocità in uscita, in ciò favorendo tutte quelle tecniche di gestione che prevedono il mantenimento del regime di rotazione del motore termico entro campi di minimo consumo o minime emissioni.
Purtroppo, la trasmissione idrostatica presenta rendimenti minori rispetto a quelli tipici di una trasmissione meccanica ad
ingranaggi (0.78-0.85 contro 0,91-0,95 ). La trasmissione power split tenta di conciliare gli aspetti positivi di entrambe le
soluzioni: alta efficienza e alta flessibilità, trasmettendo la potenza parte sotto forma idraulica e parte sotto forma meccanica, in dipendenza della cilindrata che si impone alla pompa della unità idrostatica. Poiché la trasmissione epicicloidale ha due gradi di libertà, è possibile variare la velocità dei due alberi indipendentemente; in questo modo la velocità del motore termico è sganciata da quella dell'utilizzatore e può essere stabilita nell'intorno delle condizioni di massimo rendimento e minime emissioni.
Le diverse possibili disposizioni delle ruote del ruotismo e la struttura flessibile della trasmissione idrostatica consentono molteplici configurazioni della trasmissione, che si possono suddividere in due gruppi: ad alto o a basso rapporto di potenza trasmessa idrostaticamente. La seconda tipologia sembra essere più adatta, se si vuole mantenere alto il rendimento, anche se essa potrebbe richiedere l'adozione di una o due riduzioni ad ingranaggi.
Non trascurabili risparmi di combustibile sono potenzialmente ottenibili tramite i sistemi di gestione integrati che controllano il motore, la trasmissione e gli attrezzi ausiliari.

Gli obiettivi fondamentali dell'attività di ricerca di questa unità sono riassumibili come segue:
1) Messa a punto un procedimento di calcolo che consenta la definizione di varie configurazioni di trasmissione "power split" e la loro simulazione durante il funzionamento.

2) Studio di una configurazione di sistema di controllo che consenta di gestire il gruppo motore-trasmissione nelle condizioni di funzionamento imposte dai cicli di lavoro tipici della trattrice.

Ciò rende possibile la ricerca delle configurazioni della trasmissione e del sistema di controllo che minimizzano i consumi durante i cicli di lavoro.

In tal modo si potrà effettivamente confrontare questa soluzione con la sua competitrice, la trasmissione "full powershift", che attualmente presenta un vantaggio di rendimento di alcuni punti percentuali e che può essere considerata come soluzione di riferimento per le applicazioni su trattrici agricole.
Perciò, durante le fasi dell'attività di ricerca ci si confronterà principalmente con l'Unità Operativa del Politecnico di Bari che si dedicherà alle trasmissioni full powershift.


Descrizione delle attività di ricerca

L'attività di ricerca prevede una breve fase preliminare dedicata allo studio dei sistemi meccanici e idraulici utilizzati sulle trattrici agricole: il motore, la trasmissione e le due varianti tecniche, il sistema di sterzatura, i sistemi di attuazione, gli ausiliari.
Seguirà una fase di studio delle trasmissioni power split e una fase di approfondimento sulle problematiche di controllo e gestione ottimizzata della trasmissione e del motore.
Sulla scorta dei risultati ottenuti in queste fasi e in base alle scelte che saranno effettuate in accordo con le altre unità, si procederà alla fase di modellizzazione dei componenti delle trasmissioni, utilizzando opportuni codici di calcolo. Tra quelli disponibili sul mercato il più adatto sembra essere Amesim, che consente la creazione di modelli meccanici e idraulici, anche complessi, a partire da unità elementari. Per la modellizzazione di componenti non previsti dai codici, è il caso del motore a combustione interna, si svilupperanno modelli ad hoc.
Si prenderà anche in considerazione la possibilità di sviluppare i modelli di calcolo su una piattaforma di più ampia diffusione, Matlab-Simulink, che consente anche l'inserimento dei suoi modelli in codici di varia natura e provenienza.
Particolare attenzione dovrà essere posta nella definizione dei modelli di perdita per le due macchine idrauliche, poiché è dalle perdite volumetriche e idromeccaniche che dipende il rendimento della pompa e del motore e quindi in larga misura il rendimento dell'intera trasmissione. Pertanto, saranno studiati i modelli di perdita classici, cioè quelli derivanti dalle teorie di Wilson, e quelli espressi da formulazioni polinomiali, come suggerito da Zarotti e Nervegna [19] e da Ivantysynov [17]. Il computo dei coefficienti di questi modelli sarà fatto mediante tecniche statistiche sulla base delle curve di perdita reali, le quali saranno reperite presso alcuni costruttori o rilevate durante l’attività sperimentale prevista per questa ricerca.
In questa fase si farà affidamento anche sul supporto del CNR-IMAMOTER, che ha già affrontato in passato problemi di questo tipo.
Infine, sarà studiato il sistema di controllo della trattrice.
L’obiettivo di una trasmissione è di imporre la velocità di avanzamento in modo regolare e uniforme. Di fatto, poi, a causa delle inerzie e dei carichi usuali dei trattori, la velocità può subire improvvise variazioni.
Il sistema di controllo del trattore confronta le condizioni reali e quelle desiderate di velocità e manda una richiesta di velocità al motore termico e un richiesta di rapporto di trasmissione alla trasmissione. Il sistema di controllo, perciò, dovrà provvedere alla variazione della cilindrata della pompa del gruppo idrostatico e alla commutazione del rapporto, allo scopo di interpretare nel modo migliore la volontà del pilota. Poiché vi possono essere più rapporti in grado di soddisfare la richiesta di velocità e potenza, per scegliere il rapporto in modo univoco si adotterà il criterio del minimo consumo: dalla elaborazione del piano quotato dei consumi del motore e tramite i rapporti definiti in precedenza, è possibile pervenire alle curve di velocità del veicolo espresse in funzione del grado di parzializzazione che delimitano le zone di utilizzazione ottima di ogni marcia; entrambe le grandezze sono note a sistema di controllo.
Anche in questa fase ci si avvarrà del supporto dell’unità CNR-IMAMOTER.


Attività sperimentale

L’attività sperimentale si rende necessaria per validare i modelli di perdita delle macchine idrauliche che saranno adottati e per validare il modello generale della trasmissione.
L’unità 3 (Politecnico di Bari) è dotata di un banco prova per trasmissioni idrostatiche la cui configurazione può essere variata senza eccessive difficoltà: con l’aggiunta del ruotismo epicicloidale e di pochi altri componenti il banco può configurare anche una trasmissone power split. Su questo banco, perciò, si effettueranno i rilievi delle curve di prestazione della trasmissione idrostatica e della trasmissione completa, sulla base dei quali procedere alla identificazione o alla verifica dei modelli.


Sviluppo temporale della ricerca

La ricerca si svilupperà nei due anni previsti secondo lo schema seguente.

ANNO I
-Studio del sistema complessivo della trattrice; studio delle trasmissioni power split.
-Modellizzazione dei componenti.
-Identificazione dei modelli.
-Validazione dei modelli delle macchine idrauliche (presso unità 3).
-Studio del sistema di controllo del sistema motore-trasmissione.
-Modellizzazione e analisi di stabilità del sistema di controllo.
-Validazione del modello della trasmissione sulla base dei dati ricavati su una trasmissione di laboratorio. (presso unità 3).

ANNO II
-“Merging” del modello con quelli delle altre unità (attività svolta dall’unità CNR-IMAMOTER).
-Modifica del modello a seguito delle richieste di correzione provenienti dall’unità CNR-IMAMOTER.
-Ottimizzazione del modello sulla base di carichi standard.

Quest’ultima fase si ripeterà in modo iterativo finché tutte le indicazioni e le richieste di modifica, che potranno pervenire anche dalle altre unità, non produrranno una versione completa del modello generale della trattrice.

È presumibile che le attività sperimentali previste nel primo anno si protrarranno anche nel secondo, per evitare sovrapposizioni e interferenze con l’unità di Bari che opererà nello stesso laboratorio