{"id":23145,"date":"2024-04-24T05:06:04","date_gmt":"2024-04-24T03:06:04","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/04\/24\/simulazione-numerica-per-lelectric-drivetrain\/"},"modified":"2024-04-24T05:06:04","modified_gmt":"2024-04-24T03:06:04","slug":"simulazione-numerica-per-lelectric-drivetrain","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/04\/24\/simulazione-numerica-per-lelectric-drivetrain\/","title":{"rendered":"Simulazione numerica per l\u2019electric drivetrain"},"content":{"rendered":"
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\"Simulazione<\/div>\n
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Nel costruire prototipi digitali dettagliati, la modellazione mesh-less CFD con Particleworks sta rivoluzionando l\u2019R&D ingegneristico nell\u2019ambito 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<\/em> stessa dal punto di vista di temperature di esercizio ed efficienza, aspetti cruciali legati alle applicazioni elettriche.<\/strong><\/p>\n

di<\/em> Massimo Bettio (Carraro Group), Michele Merelli (Particleworks Europe, EnginSoft).<\/em><\/p>\n

Lo scenario nel quale operano i veicoli off-highway<\/em><\/strong> sta evolvendo oggi nella logica della piena sostenibilit\u00e0, contesto nel quale \u00e8 fondamentale sviluppare soluzioni che consentano ai veicoli di operare nella massima efficienza a livello di consumi <\/strong>con una contestuale riduzione delle emissioni in atmosfera.<\/p>\n

In linea con questa tendenza e l\u2019interesse crescente per il tema dell\u2019elettrificazione<\/strong>, una delle maggiori sfide che implica l\u2019uso di motori elettrici, che vedono solitamente impiegate elevate velocit\u00e0 di rotazione, \u00e8 il gestire le perdite di potenza<\/strong> (power losses<\/em>), che coinvolgono i componenti del drivetrain<\/strong><\/em>: l\u2019attrito tra gli ingranaggi, tra alberi e tenute, le perdite per sbattimento degli ingranaggi stessi e dei cuscinetti con l\u2019olio contenuto in trasmissione sono tutti aspetti direttamente correlati alle velocit\u00e0 in gioco che possono portare ad un conseguente surriscaldamento non solo dell\u2019olio ma anche dei componenti interni.<\/p>\n

Nell\u2019ambito dei sistemi di trasmissione<\/strong> di potenza <\/strong>alla classica progettazione<\/strong> dei componenti meccanici si affianca quindi in modalit\u00e0 sempre pi\u00f9 dettagliate anche la verifica di un\u2019adeguata lubrificazione e degli aspetti correlati di trasmissione del calore.<\/p>\n

Al fine di minimizzare le perdite di potenza<\/strong> tra ingresso e uscita della trasmissione andando quindi a massimizzare l\u2019efficienza del drivetrain<\/em><\/strong> ed al contempo a garantire una corretta lubrificazione e un\u2019adeguata dissipazione del calore, diventa di fondamentale importanza studiare i flussi d\u2019olio<\/strong> all\u2019interno della trasmissione e le sue interazioni con le sorgenti di power loss coinvolte.<\/p>\n

Questo tipo di verifiche viene generalmente svolto durante prove a banco<\/strong> grazie a prototipi fisici dotati eventualmente di opportune finestrature che permettono la verifica dei flussi d\u2019olio, delle zone di aspirazione delle pompe e dell\u2019adeguata lubrificazione di ingranaggi e cuscinetti. Allo stesso tempo vengono di norma verificate temperature e power losses<\/em><\/strong> a regime del sistema in tutte le condizioni operative, anche le pi\u00f9 critiche.<\/p>\n

Per soddisfare i requisiti del test e garantire il corretto funzionamento del sistema \u00e8 possibile di conseguenza apportare delle modifiche, come ad esempio una variazione del livello d\u2019olio o della posizione degli sfiati, chiaramente in relazione alla possibilit\u00e0 di intervento sul prototipo fisico. In questo quadro risulta quindi di fondamentale importanza cercare di individuare e prevenire <\/strong>eventuali criticit\u00e0 <\/strong>nelle fasi iniziali di sviluppo, prima dell\u2019effettiva realizzazione di uno o pi\u00f9 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.<\/p>\n

Nel costruire prototipi digitali dettagliati, la modellazione mesh-less CFD <\/strong>con Particleworks sta rivoluzionando l\u2019R&D ingegneristico nell\u2019ambito 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<\/em> tradizionali, eliminando la necessit\u00e0 di semplificare i modelli CAD complessi e permettendo l\u2019applicazione 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 pi\u00f9 efficienti, affidabili e avanzati, portando cos\u00ec beneficio significativo all\u2019industria automobilistica.<\/p>\n

Questi strumenti permettono di analizzare questi aspetti in tempi brevi e in parallelo alla progettazione. Andando a studiare differenti design, condizioni operative, livelli d\u2019olio, inclinazioni, sensi di rotazione e temperature, diventa possibile aumentare le possibilit\u00e0 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<\/em> in fase prototipale, sia la drivetrain<\/em> stessa dal punto di vista di temperature di esercizio ed efficienza, aspetti cruciali legati alle applicazioni elettriche.<\/p>\n

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I numeri del 2022 del Gruppo Carraro. Il primo\u00a0semestre\u00a02023\u00a0ha chiuso invece con un fatturato consolidato pari a 425 milioni di Euro in crescita del 15,1% rispetto al medesimo periodo dell\u2019esercizio 2022.<\/figcaption><\/figure>\n

eCarraro \u2013 La proposta integrata<\/strong><\/h2>\n

Per rispondere all\u2019esigenza 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\u2019elettrificazione Carraro Group, noto produttore di sistemi di trasmissione per veicoli off-highway<\/em> e trattori specializzati, ha sviluppato una serie di trasmissioni che prevedono l\u2019integrazione di motori elettrici in grado di soddisfare i vincoli normativi e l\u2019abbattimento delle emissioni garantendo le attuali performance e la produttivit\u00e0.<\/p>\n

eTB220C<\/em><\/strong><\/h3>\n

Trasmissione sviluppata appositamente per applicazioni full-electric based<\/em>, in grado di ridurre al massimo le perdite di potenza anche ad alta velocit\u00e0 di rotazione in ingresso. eTB220 \u00e8 in grado di garantire alta flessibilit\u00e0 integrando uno o pi\u00f9 motori elettrici compatti per soluzioni multi-stadio. La famiglia dei motori elettrici abbinabili offre taglie di potenza scalabili e la possibilit\u00e0 di funzionare sia con Low che Hi-Voltage.<\/p>\n

THE solution: soluzioni plug & Play idrostatiche ed elettriche<\/em><\/strong><\/h3>\n

Adatto ad un\u2019ampia gamma di light construction equipment<\/em>, \u201cThe solution\u201d \u00e8 una famiglia di nuovi prodotti sviluppata per incontrare al meglio le moderne esigenze dei clienti Carraro, attraverso la caratteristica peculiare di intercambiabilit\u00e0 tra l\u2019applicazione idrostatica e quella elettrica. L\u2019obiettivo di tale\u00a0concept<\/em>\u00a0\u00e8 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\u00a0driveline<\/em>. Questa soluzione molto versatile risulta particolarmente adatta per sollevatori telescopici, terne, pale e pale compatte, escavatori gommati.\u00a0<\/p>\n

Hardware and Software<\/em><\/strong><\/h3>\n

In un mondo in cui la trasformazione digitale ha gi\u00e0 raggiunto sia i settori on-highway<\/em> che off-highway<\/em>, Carraro \u00e8 oggi in grado di offrire anche soluzioni innovative per il controllo elettronico dei sistemi di trasmissione e dei veicoli nonch\u00e9 di gruppi propulsori completi nell\u2019ambito dell\u2019e-mobility<\/em>. Lo sviluppo di software customizzati, supportato da piattaforme hardware proprietarie garantisce il controllo delle principali funzioni veicolo: dall\u2019interfaccia uomo-macchina alla gestione della trazione e dell\u2019intero powetrain<\/em> elettrificato.<\/p>\n

La combinazione tra know-how<\/em> meccanico e solide competenze elettriche ed elettroniche ci consente di concepire ogni tipologia di architettura elettrica, di dimensionare ed integrare i moduli elettrici pi\u00f9 adatti (da motori e generatori, da ECU<\/em> a inverter<\/em>, batterie e BMS<\/em>) per ottenere le migliori prestazioni dell\u2019intero sistema.<\/p>\n

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Le trasmissioni THE possono essere altamente configurabili e saranno disponibili in due versioni: con cambio a 2 velocit\u00e0 sincronizzato e\u00a0powershift. Fra le configurazioni opzionali le trasmissioni THE dispongono di freno di stazionamento e un sistema di disconnessione 4WD.<\/figcaption><\/figure>\n

Trasmissioni per applicazioni elettriche: la necessit\u00e0 di espandere l\u2019analisi di lubrificazione e perdite per sbattimento alle stime di temperatura<\/strong><\/h2>\n

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, \u00e8 stato preso in esame un caso studio specifico: una transfer box per compact pale (wheel loader<\/em>), 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.<\/p>\n

L\u2019obiettivo dell\u2019analisi \u00e8 stato quello di implementare una metodologia che partisse dallo studio di lubrificazione, distribuzione olio e stima delle perdite per sbattimento ed espandesse l\u2019attuale 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.<\/p>\n

Per le simulazioni fluidodinamiche oggetto dello studio \u00e8 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.<\/p>\n

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Confronto tra opposti sensi di rotazione a pari velocit\u00e0 della transfer box in analisi: la diversa distribuzione d\u2019olio porta ad una differente mappa di coefficiente di scambio termico che si traduce a sua volta in una diversa dissipazione delle perdite di potenza come si osserva nella distribuzione di temperatura esterna, in particolar modo nella zona del cuscinetto dell\u2019albero di input (albero superiore) e in accordo con i dati sperimentali rilevati.<\/figcaption><\/figure>\n

Gli highlights e i risultati dell\u2019analisi di una transfer box per compact wheel loader a trazione elettrica<\/strong><\/h2>\n

Quattro condizioni operative sono state analizzate considerando due diverse velocit\u00e0 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.<\/p>\n

Attraverso le iniziali simulazioni fluidodinamiche si \u00e8 verificata la corretta lubrificazione di cuscinetti ed ingranaggi e si \u00e8 ottenuta la mappa di coefficiente di scambio termico (HTC) funzione del flusso dell\u2019olio diverso nei quattro casi, estraendo inoltre la stima delle perdite per sbattimento degli ingranaggi con l\u2019olio, quota parte di power losses<\/em> totali del sistema.<\/p>\n

Si sono quindi analizzate dal punto di vista teorico i diversi contributi di perdita di potenza con riferimento alla norma ISO-TR 14179\/2<\/em>, 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<\/em> successive come sorgenti di calore.<\/p>\n

Dopo aver verificato che la mappa di coefficiente di scambio termico convettivo sulla superficie interna della scatola, dovuta alla distribuzione dell\u2019olio, 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\u2019Universit\u00e0 di Padova.<\/p>\n

In conclusione confrontando grazie al solutore termico di Particleworks i quattro diversi casi studio si \u00e8 riscontrato come non solo la differente velocit\u00e0 degli ingranaggi, ma anche la diversa distribuzione dell\u2019olio all\u2019interno 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\u00b0C rispetto ai dati sperimentali rilevati dalle termocoppie.<\/p>\n

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<\/em> nel campo di applicazioni elettriche pu\u00f2 essere quindi affrontato e valutato anche nelle prime fasi di sviluppo prodotto.<\/p>\n

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A velocit\u00e0 maggiori le temperature della transfer box si alzano a causa delle maggiori perdite di potenza, specialmente nelle zone dei cuscinetti.<\/figcaption><\/figure>\n
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Differenze tra temperature stimate da simulazione Particleworks e valori sperimentali alle 6 termocoppie dei cuscinetti della transfer box in analisi: il gap di temperatura massimo \u00e8 stato di 10 \u00b0C.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n

L’articolo <strong>Simulazione numerica per l\u2019electric drivetrain<\/strong><\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

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Autore: Emanuela Bianchi<\/p>\n

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