Nel costruire prototipi digitali dettagliati, la modellazione mesh-less CFD con Particleworks sta rivoluzionando l’R&D ingegneristico nell’ambito della lubrificazione e raffreddamento di componenti critici come ingranaggi, trasmissioni, cuscinetti e motori elettrici anche nel settore automobilistico. Carraro Group utilizza questa tipologia di software e di analisi per ottimizzare sia il processo di sviluppo prodotto, sia la drivetrain stessa dal punto di vista di temperature di esercizio ed efficienza, aspetti cruciali legati alle applicazioni elettriche.
di Massimo Bettio (Carraro Group), Michele Merelli (Particleworks Europe, EnginSoft).
Lo scenario nel quale operano i veicoli off-highway sta evolvendo oggi nella logica della piena sostenibilità, contesto nel quale è fondamentale sviluppare soluzioni che consentano ai veicoli di operare nella massima efficienza a livello di consumi con una contestuale riduzione delle emissioni in atmosfera.
In linea con questa tendenza e l’interesse crescente per il tema dell’elettrificazione, una delle maggiori sfide che implica l’uso di motori elettrici, che vedono solitamente impiegate elevate velocità di rotazione, è il gestire le perdite di potenza (power losses), che coinvolgono i componenti del drivetrain: l’attrito tra gli ingranaggi, tra alberi e tenute, le perdite per sbattimento degli ingranaggi stessi e dei cuscinetti con l’olio contenuto in trasmissione sono tutti aspetti direttamente correlati alle velocità in gioco che possono portare ad un conseguente surriscaldamento non solo dell’olio ma anche dei componenti interni.
Nell’ambito dei sistemi di trasmissione di potenza alla classica progettazione dei componenti meccanici si affianca quindi in modalità sempre più dettagliate anche la verifica di un’adeguata lubrificazione e degli aspetti correlati di trasmissione del calore.
Al fine di minimizzare le perdite di potenza tra ingresso e uscita della trasmissione andando quindi a massimizzare l’efficienza del drivetrain ed al contempo a garantire una corretta lubrificazione e un’adeguata dissipazione del calore, diventa di fondamentale importanza studiare i flussi d’olio all’interno della trasmissione e le sue interazioni con le sorgenti di power loss coinvolte.
Questo tipo di verifiche viene generalmente svolto durante prove a banco grazie a prototipi fisici dotati eventualmente di opportune finestrature che permettono la verifica dei flussi d’olio, delle zone di aspirazione delle pompe e dell’adeguata lubrificazione di ingranaggi e cuscinetti. Allo stesso tempo vengono di norma verificate temperature e power losses a regime del sistema in tutte le condizioni operative, anche le più critiche.
Per soddisfare i requisiti del test e garantire il corretto funzionamento del sistema è possibile di conseguenza apportare delle modifiche, come ad esempio una variazione del livello d’olio o della posizione degli sfiati, chiaramente in relazione alla possibilità di intervento sul prototipo fisico. In questo quadro risulta quindi di fondamentale importanza cercare di individuare e prevenire eventuali criticità nelle fasi iniziali di sviluppo, prima dell’effettiva realizzazione di uno o più prototipi in modo da minimizzare il rischio di intervento nelle fasi di verifica sperimentale che possono implicare non solo ritardi nelle tempistiche di progetto ma anche conseguenze economiche rilevanti.
Nel costruire prototipi digitali dettagliati, la modellazione mesh-less CFD con Particleworks sta rivoluzionando l’R&D ingegneristico nell’ambito della lubrificazione e raffreddamento di componenti critici come ingranaggi, trasmissioni, cuscinetti e motori elettrici anche nel settore automobilistico. Questo approccio innovativo consente di superare le limitazioni di metodi mesh-based tradizionali, eliminando la necessità di semplificare i modelli CAD complessi e permettendo l’applicazione della simulazione in campi precedentemente inesplorati. Aziende leader come CNH, GKN, Polestar, SKF e NIDEC-PSA, tra gli altri, stanno adottando con successo questa tecnologia avanzata per accelerare lo sviluppo di prodotti più efficienti, affidabili e avanzati, portando così beneficio significativo all’industria automobilistica.
Questi strumenti permettono di analizzare questi aspetti in tempi brevi e in parallelo alla progettazione. Andando a studiare differenti design, condizioni operative, livelli d’olio, inclinazioni, sensi di rotazione e temperature, diventa possibile aumentare le possibilità di intercettare problematiche che si potranno verificare in fase di test o su campo. Carraro, azienda leader nella produzione di sistemi di trasmissione per trattori e veicoli off-highway, utilizza questa tipologia di software e di analisi per ottimizzare sia il processo di sviluppo prodotto diminuendo il rischio di rework in fase prototipale, sia la drivetrain stessa dal punto di vista di temperature di esercizio ed efficienza, aspetti cruciali legati alle applicazioni elettriche.
eCarraro – La proposta integrata
Per rispondere all’esigenza di adattarsi ad un contesto in cui le normative sulle emissioni e le tematiche di efficienza portano ad un crescente interesse per il tema dell’elettrificazione Carraro Group, noto produttore di sistemi di trasmissione per veicoli off-highway e trattori specializzati, ha sviluppato una serie di trasmissioni che prevedono l’integrazione di motori elettrici in grado di soddisfare i vincoli normativi e l’abbattimento delle emissioni garantendo le attuali performance e la produttività.
eTB220C
Trasmissione sviluppata appositamente per applicazioni full-electric based, in grado di ridurre al massimo le perdite di potenza anche ad alta velocità di rotazione in ingresso. eTB220 è in grado di garantire alta flessibilità integrando uno o più motori elettrici compatti per soluzioni multi-stadio. La famiglia dei motori elettrici abbinabili offre taglie di potenza scalabili e la possibilità di funzionare sia con Low che Hi-Voltage.
THE solution: soluzioni plug & Play idrostatiche ed elettriche
Adatto ad un’ampia gamma di light construction equipment, “The solution” è una famiglia di nuovi prodotti sviluppata per incontrare al meglio le moderne esigenze dei clienti Carraro, attraverso la caratteristica peculiare di intercambiabilità tra l’applicazione idrostatica e quella elettrica. L’obiettivo di tale concept è quello di offrire una soluzione ai costruttori di veicoli che consiste nel poter allestire un veicolo in versione idrostatica oppure elettrica senza dover apportare varianti al telaio o al lay-out della driveline. Questa soluzione molto versatile risulta particolarmente adatta per sollevatori telescopici, terne, pale e pale compatte, escavatori gommati.
Hardware and Software
In un mondo in cui la trasformazione digitale ha già raggiunto sia i settori on-highway che off-highway, Carraro è oggi in grado di offrire anche soluzioni innovative per il controllo elettronico dei sistemi di trasmissione e dei veicoli nonché di gruppi propulsori completi nell’ambito dell’e-mobility. Lo sviluppo di software customizzati, supportato da piattaforme hardware proprietarie garantisce il controllo delle principali funzioni veicolo: dall’interfaccia uomo-macchina alla gestione della trazione e dell’intero powetrain elettrificato.
La combinazione tra know-how meccanico e solide competenze elettriche ed elettroniche ci consente di concepire ogni tipologia di architettura elettrica, di dimensionare ed integrare i moduli elettrici più adatti (da motori e generatori, da ECU a inverter, batterie e BMS) per ottenere le migliori prestazioni dell’intero sistema.
Trasmissioni per applicazioni elettriche: la necessità di espandere l’analisi di lubrificazione e perdite per sbattimento alle stime di temperatura
Per approfondire il tema delle perdite di potenza e delle temperature di esercizio nel caso di applicazioni elettriche e avere una verifica sperimentale delle simulazioni numeriche, è stato preso in esame un caso studio specifico: una transfer box per compact pale (wheel loader), i cui risultati sono stati presentati da Massimo Bettio, Hydraulic System Specialist di Carraro, durante la Particleworks Experience, conferenza tenutasi a Bergamo presso il Kilometro Rosso lo scorso giugno.
L’obiettivo dell’analisi è stato quello di implementare una metodologia che partisse dallo studio di lubrificazione, distribuzione olio e stima delle perdite per sbattimento ed espandesse l’attuale workflow di simulazione aziendale integrando una valutazione delle temperature nei punti critici della trasmissione inglobando gli scambi termici e le sorgenti di power losses, stimate da normativa, andando infine a confrontare i risultati ottenuti con rilievi sperimentali.
Per le simulazioni fluidodinamiche oggetto dello studio è stato utilizzato il software Particleworks, impiegato anche per le analisi termiche successive, i cui risultati sono stati comparati in una prima verifica con quelli derivanti dal solutore termico di ANSYS Mechanical.
Gli highlights e i risultati dell’analisi di una transfer box per compact wheel loader a trazione elettrica
Quattro condizioni operative sono state analizzate considerando due diverse velocità e due sensi di rotazione in input della transfer box, caratterizzata da tre alberi e due ingranamenti totali, per un rapporto totale tra ingresso e uscita pari a 4,861.
Attraverso le iniziali simulazioni fluidodinamiche si è verificata la corretta lubrificazione di cuscinetti ed ingranaggi e si è ottenuta la mappa di coefficiente di scambio termico (HTC) funzione del flusso dell’olio diverso nei quattro casi, estraendo inoltre la stima delle perdite per sbattimento degli ingranaggi con l’olio, quota parte di power losses totali del sistema.
Si sono quindi analizzate dal punto di vista teorico i diversi contributi di perdita di potenza con riferimento alla norma ISO-TR 14179/2, che dopo esser state valutate in relazione a quelle stimate dal software, e a quelle misurate sperimentalmente, sono state applicate come input alle simulazioni termiche steady state successive come sorgenti di calore.
Dopo aver verificato che la mappa di coefficiente di scambio termico convettivo sulla superficie interna della scatola, dovuta alla distribuzione dell’olio, fosse una variabile non trascurabile in questo tipo di analisi termiche, si sono confrontati successivamente i risultati derivanti da due analisi termiche in Particleworks e ANSYS Mechanical attraverso uno studio in collaborazione con il dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Padova.
In conclusione confrontando grazie al solutore termico di Particleworks i quattro diversi casi studio si è riscontrato come non solo la differente velocità degli ingranaggi, ma anche la diversa distribuzione dell’olio all’interno della trasmissione dovuta a differenti sensi di rotazione, porti ad una differente interazione con le sorgenti di calore. Da un punto di vista quantitativo i valori di temperatura hanno dimostrato un gap massimo di 9°C rispetto ai dati sperimentali rilevati dalle termocoppie.
Lo studio ha quindi verificato, anche attraverso il confronto con rilievi sperimentali, un workflow applicativo di analisi fluidodinamica e termica per trasmissioni in ambito off-highway grazie ad un unico software. Il tema cruciale di temperature e power losses nel campo di applicazioni elettriche può essere quindi affrontato e valutato anche nelle prime fasi di sviluppo prodotto.
