Modellazione e caratterizzazione termica dell’housing di una trasmissione di una macchina trattrice mediante analisi CFD

Le macchine trattrici sono sottoposte a elevati stress termici, che si riflettono direttamente sulle temperature di esercizio dei principali componenti e, in particolare, sull’olio di trasmissione. Un incremento eccessivo della temperatura dell’olio può compromettere la lubrificazione e l’affidabilità del sistema, rendendo fondamentale una corretta valutazione dei meccanismi di dissipazione del calore. Oltre al sistema di raffreddamento dedicato, una quota non trascurabile del calore viene smaltita direttamente dall’housing della trasmissione. L’obiettivo di questo lavoro è valutare il contributo dell’housing alla dissipazione termica complessiva, mettendolo in relazione con le perdite totali della driveline e con il calore smaltito dal circuito di raffreddamento dell’olio. A tal fine è stata sviluppata una metodologia basata su simulazioni CFD e su un modello a parametri concentrati, in grado di fungere da strumento predittivo. Il calore scambiato dall’housing è stato determinato attraverso l’uso degli Heat Transfer Coefficient (HTC), che consentono di valutare il flusso termico in funzione del gradiente di temperatura e della superficie di scambio. I risultati ottenuti sono stati inoltre confrontati con dati sperimentali provenienti da test fisici. Sono stati sviluppati due modelli CFD distinti: un modello Euleriano realizzato in STAR-CCM+ e un modello Lagrangiano basato su metodo SPH sviluppato in nanoFluidX. Il modello STAR-CCM+ è stato costruito a partire da un modello preesistente di gestione termica della macchina trattrice, introducendo la modellazione dell’olio all’interno dell’housing e le movimentazioni indotte dalle ruote dentate e dalle aspirazioni delle pompe. Tuttavia, l’approccio stazionario e monofase adottato, necessario per contenere il costo computazionale, ha portato a una rappresentazione eccessivamente semplificata del moto dell’olio, causando una sovrastima delle temperature di esercizio sia a causa di valori di HTC inferiori a quelli reali, sia per una sovrastima delle perdite associate alla limitata movimentazione del fluido. Il modello SPH ha invece consentito una rappresentazione più realistica del comportamento del fluido, permettendo il calcolo degli HTC interni alla driveline tramite un approccio empirico basato sul numero di Nusselt. Il confronto tra diverse configurazioni ha evidenziato come la modellazione multifase porti a valori di HTC significativamente più elevati rispetto a quelli ottenuti con STAR-CCM+. A partire da tali risultati è stata definita una metodologia combinata: gli HTC interni calcolati con nanoFluidX sono stati imposti come condizioni al contorno nelle simulazioni STAR-CCM+, utilizzando le temperature dell’olio misurate sperimentalmente. In questo modo è stato possibile stimare il calore dissipato dall’housing verso l’ambiente esterno, analizzando i contributi convettivi e radiativi e determinando i campi di temperatura dell’housing in diverse condizioni operative. Le informazioni ottenute sono state infine integrate in un modello termo-sensibile a parametri concentrati della trasmissione realizzato in Amesim, che consente di valutare le perdite totali e il comportamento termico del sistema. Il modello mostra una buona correlazione con i test sperimentali all’interno di un determinato intervallo di temperatura, mentre al di fuori di tale range tende a sovrastimare o sottostimare le perdite. In conclusione, il lavoro quantifica il ruolo dell’housing nel bilancio termico della trasmissione e fornisce una metodologia integrata per la sua valutazione.