OPTIMIZAREA CONSTRUCTIVĂ A SUPORTULUI MOTOARELOR

HIDROSTATICE UTILIZATE PENTRU DEPLASAREA CU VITEZE

REDUSE A AUTOVEHICULELOR MULTIFUNCȚIONALE

CONSTRUCTIVE OPTIMIZATION OF THE HYDROSTATIC ENGINE SUPPORT

USED FOR LOW-SPEED DRIVING OF MULTIFUNCTIONAL MOTOR

VEHICLES.

Polifron - Alexandru Chiriță, drd. ing. Liliana Dumitrescu, drd. ing.

Cătălin Dumitrescu, dr. ing. Corneliu Cristescu, dr. ing.

Ștefan Mihai - Șefu, ing.

Institutul de Cercetare pentru Hidraulică și Pneumatică - INOE2000

E-mail: chirita.ihp@fluidas.ro

Rezumat: Optimizarea topologică structurală (OTS), denumită pe scurt optimizare topologică, este o metodă

relativ nouă de optimizare a structurilor ce are ca scop maximizarea performanței unei structuri sau a unei

componente structurale. În cele ce urmează, se prezintă rezultatele unui studiu ce se folosește de metoda

amintită mai sus, pentru a optimiza parametrii structurii metalice a suportului unui motor hidrostatic. Aceasta

este motivată de resursele limitate, impactul asupra mediului și de concurența tehnologică, care cere structuri

ușoare, ieftine și de înaltă performanță. Proiectarea optimală a structurilor are ca scop realizarea unor

construcții la prețuri mici și consum mic de materiale, respectând cerințele de siguranță, funcționalitate și

exploatare.

Cuvinte cheie: optimizare topologică, structură metalică, autovehicule multifuncționale.

Abstract: Structural Topology Optimization (OTS), shortly referred to as Topology Optimization, is a relatively

new method of optimizing structures that aims to maximize the performance of a structure or structural

component. In the following, we present the results of a study using the above mentioned method to optimize the

parameters of the metal structure of a hydrostatic engine support. This is motivated by limited resources,

environmental impact and technological competition, which require light, cheap and high-performance

structures. Optimal design of structures aims to achieve some structures at low prices and low consumption of

materials complying to the requirements on safety, functionality and operation.

Keywords: topology optimization, metallic structure, multifunctional motor vehicles.

1. INTRODUCERE

Autovehiculele multifuncționale sunt camioane pe care se implementează echipamente

tehnologice, cu care se realizează lucrări, în general legate de drumuri, cum ar fi: îndepărtarea

zăpezii de pe carosabil, împrăștierea materialelor anti-alunecare, măturarea și stropirea

străzilor, cosirea acostamentului drumurilor sau tăierea arborilor etc. Aceste echipamente sunt

prezentate în figura 1.

Figura 1. Autovehicule multifuncționale dotate cu diverse echipamente tehnologice [1]

Aceste autovehicule au două moduri de deplasare: rapid și lent. În modul de mișcare rapidă,

vehiculele se deplasează la viteză mare pe șosea de la o locație la alta iar cuplul pe roțile

motoare este mic și viteza este ridicată.

În modul de deplasarea lentă, autovehiculul se deplasează cu o viteză mică (maxim 5 km / h)

impusă de echipamentul tehnologic. Cuplul motorului este ridicat și viteza este scăzută. În

acest sens, o cerere a venit de la o societate ce comercializează utilaje de întreținere a

drumurilor, pentru o transmisie specială ce permite viteze reduse în timpul operațiunilor de

lucru și un sistem hidraulic de alimentare cu energie pentru echipamente tehnologice eficiente

din punct de vedere energetic. Produsul este dezvoltat ca parte a unui proiect de cercetare

între o companie și INOE2000-IHP.

2. CONTEXTUL TEHNIC

În figura 2 este prezentată soluția tehnică de integrare a motorului hidrostatic în transmisia

mecanică, se poate observa ca motorul hidrostatic conectează cutia de viteze la diferențial, cu

ajutorul a două transmisii cardanice ce sunt prezentate in figura 4.

Figura 2. Poziționarea motorului hidrostatic [2]

Figura 3. Motorul hidrostatic CDM-222 [2]

Motorul hidrostatic, prezentat în figura 3, cu masa de 120 kg, are capacitatea de 1000 cm3/rot,

ceea ce îi permite să dezvolte un cuplu de 6684 N*m la presiunea maximă de 420 bar.

Figura 4. Articulațiile cardanice

Motorul hidrostatic este montat incastrat pe suportul metalic, cu 4 șuruburi M20, acesta se

conectează la șasiul autocamionului cu ajutorul a două rânduri de câte patru șuruburi pe

fiecare parte, in total 16 șuruburi M12.

Figura 5. Suportul motorului hidrostatic

Suportul motorului este realizat prin sudură, din oțelul S235, pentru structuri metalice cu limita

minimă la curgere de 235 MPa. Tabla are grosimea de 20 mm, întăriturile au grosimea de 10 mm iar

masa suportului este de 72 kg.

3. ANALIZA TOPOLOGICĂ A SUPORTULUI MOTORULUI HIDROSTATIC ÎN

VEDEREA OPTIMIZĂRII CONSTRUCTIVE

Discutând despre un utilaj mobil, masa este un factor important, fiind de preferat ca aceasta

să fie cât mai mică. Masele tuturor componentelor suplimentare, se adaugă la masa inițială a

camionului, micșorând capacitatea de transport a acestuia.

Pentru transformarea într-un autovehicul multifuncțional, pe acesta se montează motorul si

pompa hidrostatică, împreună cu accesoriile transmisiei în circuit închis, precum și o pompă

cu Load Sensing de capacitate mare, ce face parte din instalația hidraulică de alimentare a

echipamentelor din dotarea utilajului. Toate componentele amintite mai sus, au nevoie de

accesorii de montaj si unele dintre ele au nevoie și de suport. Una dintre masele

componentelor ce se mai pot modifica, este masa suportului motorului hidrostatic, ce este

supradimensionat, dorindu-se reducerea masei acestuia la jumătate.

Pentru realizarea acestei analize s-a realizat modelul 3D al suportului.

Figura 6. Modelul 3D al suportului cu masa de 72 de kg

Figura 7. Discretizarea modelului 3D

Figura 8. Aplicarea solicitărilor

Figura 9. Rezultatele analizei cu element finit

Din analiza cu element finit, prezentată în figura 9, reiese că solicitarea maximă la care este

supus suportul motorului hidrostatic, este de 22 MPa, iar valoarea maximă a deformației este

de 0,034 mm; în condițiile în care oțelul S235 ar suporta solicitări de până la 235 MPa fără a

se deforma plastic.

În urma analizei se poate concluziona ca structura metalică este supradimensionată, iar pentru

redimensionarea sa, este utilă o analiză topologică care va pune în evidență porțiunile de

material nesolicitate mecanic.

Pentru analiza topologică au fost păstrate condițiile de la analiza cu element finit, adăugându-

se o condiție de conservare a suprafețelor ce intră în contact cu motorul hidrostatic și șasiul

camionului, precum și cerința de a optimiza masa fără a avea deformații mai mari de 0.1 mm.

Figura 10. Suprafețele conservate

Figura 11. Rezultatul analizei topologice

Din analiza topologică, prezentată în figura 11, reies următoarele:

• Masa de material se poate reduce de la 72 până la 20 de kg, în condiții de siguranță;

• Deformația maximă este de doar 0,109 mm;

• Aproximativ 20% din volumul întăriturilor este nesolicitat mecanic;

• Se poate renunța la rândurile superioare de șuruburi ce leagă suportul de șasiul

camionului.

Ținând cont de concluziile analizei cu element finit și topologice, prezentate anterior,

suportul motorului a fost redimensionat, operându-se următoarele modificări:

• S-a redus grosimea tablei de la 20 la 10 mm;

• Forma și dimensiunile nervurilor au fost modificate;

• S-a redus numărul de șuruburi de prindere pe șasiu de la 16 la 12;

• O parte din materialul ce nu prelua încărcări a fost eliminat.

Figura 12. Modelul 3D al suportului redimensionat cu masa de 32 de kg

Figura 13. Discretizarea modelului 3D

Figura 14. Rezultatele analizei cu element finit

În urma analizei cu element finit, prezentată în figura 14, a noului suport al motorului hidrostatic,

putem observa următoarele:

• Coeficientul de siguranță luat în calcul pentru proiectarea suportului este 3, acesta fiind

confecționat din oțelul S235.

• Solicitarea maximă a suportului este de 76 MPa, fiind concentrată în zona de prindere a

șuruburilor motorului hidrostatic.

• Aproximativ 25% din masa de material este solicitată de valori între 15 și 76 MPa, restul de

75% fiind solicitată foarte puțin.

• Deformația maximă a modelului este de doar 0.3 mm.

În final, a mai fost efectuată o nouă analiză topologică structurală, în condiții similare cu cea inițială.

Aceasta a avut scopul de a ne indica zonele în care materialul este inutil.

Figura 15. Rezultatul analizei topologice

4. CONCLUZII

Din practica industrială, se observă, că atunci când se echipează un utilaj mobil cu

mecanisme suplimentare de lucru, o atenție deosebita trebuie să se acorde asupra efectelor

statice și dinamice asupra autovehiculelor.

Prin adăugarea de echipamente suplimentare este influențată comportarea statică, mărind

masa și schimbând poziția centrului de greutate, iar din punct de vedere al comportării

dinamice, va fi influențată viteza și accelerația.

În ceea ce privește aspectul static, o importanță mare o are creșterea masei autovehiculului,

pentru care merită analizată fiecare componentă în parte. In acest studiu, pentru optimizarea

suportului motorului hidrostatic au fost folosite componentele avansate de modelare și

simulare ale softului SOLIDWORKS, iar in urma analizei am obținut următoarele rezultate:

• O reducere a masei cu mai mult de 50%, de la 72 la 32 de kg;

• O utilizare mai eficientă a oțelului, prin distribuția mai uniformă a solicitărilor.

ACKNOWLEDGMENTS

Această lucrare a fost dezvoltată în INOE 2000 - IHP, cu sprijinul financiar al Unității

Executive pentru Finanțarea învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării

(UEFISCDI), prin Programul 2 din PNCDI III: Creşterea competitivităţii economiei

româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare Subprogramul 2.1 – Proiect de transfer la

operatorul economic (PTE-2016), titlul proiectului: “ Echipamente electrohidraulice (EEH)

cu eficienta energetica ridicata (EER) pentru autovehicule multifunctionale (AMF) -

ECHIPEFEN”, contract nr. 11PTE/2016.

BIBLIOGRAFIE

[1] https://www.gradinariu.ro/produse-unicat – 2018

[2] http://www.poclain-hydraulics.com/_upload/ressources/media/pdf/A19965B.pdf – 2018