Se i vantaggi sono ovvi, l’elettrificazione, soprattutto per quanto riguarda la pompa dell’olio, è però tecnicamente complessa: gli ingegneri non solo vogliono che l’olio circoli ad una determinata velocità di flusso e pressione, ma vorrebbero che questi parametri corrispondano ai requisiti del motore in modo intelligente.
Al fine di ottimizzare le prestazioni è importante che l’attrito e le perdite di pompaggio siano ridotti al minimo attraverso un attento controllo del flusso dell’olio nelle diverse aree del circuito dell’olio, garantendo nel contempo sempre la giusta pressione.
Le simulazioni si basano sulle informazioni accurate della pressione e della velocità di flusso dell’olio al banco di prova
Una pompa dell’olio alimentata elettronicamente è costituita da tre sottosistemi: la pompa, il motore e il regolatore elettronico. La prima sfida di qualsiasi nuovo sviluppo applicativo è dunque integrare in modo efficiente questi moduli in modo tale da ridurre le dimensioni e il peso totali, nonché il numero di componenti, pur ottimizzando le prestazioni.
La funzione principale della pompa dell’olio è fornire un determinato flusso dell’olio ad una pressione ottimale. Pertanto la sua progettazione, che costituisce un processo iterativo, inizia dagli ingranaggi di pompaggio. Per la maggior parte delle applicazioni, la pompa è necessaria per fornire pressioni superiori di 1 fino a 2 bar, spesso arrivando a 10 bar.
Come succede quasi sempre per lo sviluppo dei motori, per accelerare la fase di progettazione ci si affida a una combinazione di simulazioni e test condotti nel mondo reale.
Il ciclo di progettazione inizia con la valutazione preliminare dell’efficienza volumetrica basata sui risultati sperimentali raccolti su pompe e applicazioni simili. Questi dati includono la velocità della pompa, la temperatura dell’olio, la pressione e la velocità di flusso.
È importante che le informazioni usate per la valutazione siano accurate. La raccolta dei dati deve, dunque, essere effettuata utilizzando strumenti di misura precisi e altamente affidabili, in grado di fornire letture accurate nelle condizioni estreme che si verificano all’interno e intorno al motore.
Per garantire accuratezza e ripetibilità, per la misura della pressione è importante utilizzare solo i sensori della migliore qualità. Non solo questi sensori di pressione devono fornire letture affidabili per un ampio intervallo di pressioni e temperature, ma devono anche resistere alle vibrazioni.
Nel corso degli anni, la STS ha sviluppato dei sensori di pressione che soddisfano i requisiti degli OEM, dei fornitori di primo livello e degli specialisti della progettazione per quanto riguarda lo sviluppo dei motori.
Sviluppo di una pompa dell’olio elettrica che supera in prestazioni l’unità meccanica
Sulla base delle informazioni raccolte sui requisiti idraulici a varie velocità di flusso, pressioni di mandata e temperature dell’olio, si conclude una progettazione preliminare degli ingranaggi. Grazie al software Matlab’s Simulink, le informazioni riguardanti il comportamento del sistema fisico possono essere razionalizzate in un codice unidimensionale.
In questa fase è importante notare che per generare il flusso richiesto a una determinata pressione, dovrebbe essere selezionata una velocità di rotazione che faciliti la migliore forma del motore e della pompa senza creare cavitazione o problemi di rumore, laddove il rumore per un tipico intervallo di velocità per un funzionamento continuo è solitamente compreso tra 1500 e 3500 rpm.
Nella fase successiva è possibile creare diversi design utilizzando LMS Imagine. Il software Lab’s Amesim può ottimizzare i parametri di progettazione – per esempio il numero di denti e l’eccentricità – continuando a soddisfare tutte le condizioni di pressione, flusso e temperatura.
Dopo aver implementato le caratteristiche geometriche dell’idraulica calcolata e aver terminato il design provvisorio, è possibile calcolare la coppia totale richiesta per guidare la pompa nei punti critici di funzionamento con la seguente formula:
Mtot = MH + MCL + Mμ
Dove:
- MH sta per la coppia idraulica dovuta alla generazione della pressione e del flusso richiesti
- MCL sta per l’attrito di Coulomb generato quando ci sono contatti asciutti e lubrificati tra le parti scorrevoli
- Mμ è il contributo viscoso dovuto al movimento del fluido all’interno degli spazi liberi
Una volta completata la progettazione, vengono costruiti i prototipi per valutarli nel mondo reale su un banco di prova del motore.
La pressione dell’olio, la velocità di flusso e la temperatura a varie velocità del motore e della pompa vengono ancora una volta misurate per poter convalidare i risultati ottenuti con la simulazione. Se i risultati corrispondono alle specifiche, il programma di sviluppo viene ultimato e il progetto entra, così, nella fase di industrializzazione.
È ovvio che per prestazioni ottimali e durabilità tutte le misure devono essere registrate in modo accurato, ma il peso dato alle informazioni generate dal sensore di pressione è, se possibile, più importante degli altri. In qualsiasi momento una pressione insufficiente può portare a un catastrofico guasto, mentre una pressione eccessiva spreca energia e può portare a problemi con le guarnizioni dell’olio.
