Lubrificazione termoelastoidrodinamica e tribologia

Il tema di ricerca include la modellazione numerica e la progettazione di coppie cinematiche, in particolare lubrificate, nonché l’integrazione dei componenti delle coppie con gli altri elementi della macchina.
I campi applicativi riguardano l’autotrazione (studio di cuscinetti per motori a combustione interna), la generazione di energia (studio di cuscinetti per turbomacchine) e la biomeccanica (studio di protesi).
Gli strumenti di indagine impiegati per studiare i problemi in oggetto sono principalmente simulazioni numeriche, ma nel prossimo futuro verranno avviate attività di sperimentazione.
L’attività di ricerca include lo sviluppo di metodi e codici per l’analisi termoelastoidrodinamica (TEHD) della lubrificazione, eseguita con metodi numerici ed in particolare con il metodo degli elementi finiti (FEM).
L’analisi TEHD è di tipo multidisciplinare in quanto studia l’interazione termomeccanica tra fluidi lubrificanti e strutture. Perciò richiede di simulare in modo accoppiato sia l’idrodinamica di pellicole d’olio in condizioni di efflusso laminare, superlaminare e turbolento, sia il comportamento termico e meccanico dei membri della coppia cinematica.
Essa consente una stima accurata della capacità portante, dell’attrito, dell’usura e delle sollecitazioni meccaniche e termiche in coppie cinematiche funzionanti in regime di lubrificazione idrodinamica, elastoidrodinamica e mista.
Figura 1 mostra stress (Von Mises) e deformazioni nel ciclo di carico di una biella per motore a combustione interna ad alte prestazioni calcolate mediante analisi elastoidrodinamica. Il precarico dei bulloni è stato volutamente alleggerito per simulare l’apertura di corpo e cappello.
Figura 2 mostra l’andamento delle distribuzioni di pressione in un cuscinetto di testa di biella al variare dell’angolo di manovella calcolate mediante analisi elastoidrodinamica.
Figura 3 mostra la distribuzione di temperatura nel meato di un cuscinetto radiale calcolate mediante analisi termoidrodinamica.

Pubblicazioni

Stefani, F., e Rebora, A., 2001, “Elastohydrodynamic Analysis of a Connecting Rod Bearing for High Performance Engines”, Proc. of the 2nd World Tribology Congress (WTC 2001), Vienna, Austria, 3-7 settembre 2001, “Young Tribologist Award 2001”.
Stefani, F., e Rebora, A., 2002, “Finite Element Analysis of Dynamically Loaded Journal Bearings: Influence of the Bolt Preload,” ASME Journal of Tribology, 124, pp. 486-493.
Stefani, F., e Rebora, A., 2004, “A Nonlinear Structured Based  Elastohydrodynamic Analysis Method for Connecting Rod Big End Bearings of High Performance Engines”, ASME Journal of Tribology, 126, pp. 664-671.
Stefani, F., “FEM Applied to Hydrodynamic Bearing Design”, in “New Tribological Ways”, edito da Taher Ghrib, InTech, Open Access Publisher, Rijeka, Croatia, 2011, pp.451-476.
Stefani F., “Design and fast verification of pocket elliptical journal bearings”, Industrial Lubrication and Tribology, Emerald, Vol. 66, Number 3, 2014, pp. 393–401, “Highly Commended Paper 2014”.