ADVANCED DESIGN METHODS FOR HYDROMECHANICAL TRANSMISSIONS IN ROAD AND AGRICULTURAL VEHICLES

Continuously variable transmissions (CVT) provide seamless gear shifting in vehicle operation, allowing the engine to operate at a nominal speed range resulting in lower fuel consumption, high efficiency and low emissions. However, these transmissions suffer from low efficiency, low torque handling capabilities and a high noise level. The hydromechanical transmission (HMT) combines the continuous variability of the gear ratio with the high efficiency of a mechanical transmission, providing potential benefits for road and off road vehicles. Furthermore, changing the connection through the shafts in the planetary geartrain, the HMT can assume different layouts. This study will present two different optimization approaches to design the HMT and reach the best global efficiency of the layouts, considering two configurations: the input coupled and the output coupled HMT. AMEsim models are developed to simulate the different layouts and configurations, and the design equations for the system’s resolution are implemented in MATLAB code. Regarding the first optimization approach an agricultural tractor was taken as reference vehicles, and for the second approach an urban bus equipped with a CNG engine was considered. The results show that some layouts are more efficient than others, depending on the vehicles and the global parameters considered. In addition, a predictive noise model for the HMT is developed to predict the global sound pressure level of the transmission. The model is a result of a numerical regression of experimental results on hydraulic units, and tested for an urban bus equipped with an input coupled Dual stage transmission. The result shows the noise level of the engine still higher than the hydrostatic path, but the last one is heavily influenced by changing the operational conditions of the transmission. At last, this dissertation explains the experimental activity conducted in the Maha Fluid Power Research Center (Purdue University, Lafayette, U.S.A.), and in particular the study of the hydraulic hybrid version of Toyota Prius transmission.

La trasmissione idromeccanica (HMT) fornisce una soluzione innovativa per tutti i veicoli che richiedono una variazione continua di velocità, consentendo al motore di operare in un intervallo di velocità nominale in cui si realizza un consumo di carburante inferiore, ottenendo un’elevata efficienza e basse emissioni. Tuttavia, queste trasmissioni soffrono di due principali svantaggi: uno scarso valore di efficienza ed un livello di rumore elevato secondo gli standard. Questa tesi ha come obiettivo lo studio di diverse configurazioni della trasmissione idromeccanica, la quale combina la variabilità della trasmissione continua a rapporto di trasmissione variabile, con l'elevata efficienza di una trasmissione meccanica, fornendo potenziali benefici per veicoli ad alta potenza sia stradali che agricoli. Variando la connessione attraverso gli alberi trasmissione meccanica, e più nello specifico nel riduttore epicicloidale, la trasmissione idromeccanica può assumere differenti layout. La presente ricerca vuole mostrare alcuni metodi di progettazione avanzata che consentano di studiare e migliorare sia l’efficienza di trasmissione, sia di prevedere il livello di pressione sonora globale in modo da poter ridurre le emissioni sonore. Nella fattispecie, per lo studio dell’efficienza sono presentati due diversi approcci di ottimizzazione, che determinano il valore ottimo di efficienza globale a seconda della geometria del sistema, facendo riferimento alle principali tipologie di trasmissione idromeccanica impiegate nella tecnica: l’input coupled e l’output coupled. A tal scopo sono stati sviluppati dei modelli AMESim dedicati, per simulare le diverse geometrie e configurazioni, mentre le equazioni di progetto per la risoluzione del sistema sono state implementate attraverso il codice MATLAB. Per quanto riguarda il primo approccio di ottimizzazione è stato preso come veicolo di riferimento una trattrice agricola, mentre per il secondo lavoro è stato considerato un autobus urbano dotato di un motore a metano. I risultati mostrano che alcuni layout sono più efficienti di altri, a seconda della geometria considerate e dei parametri di progetto. Per quanto riguarda l’aspetto del rumore è stato sviluppato un modello unico di previsione del livello di pressione, frutto dell’unione di un modello per il motore termico ed un modello per la trasmissione idrostatica, considerati i principali generatori di emissioni rumorose. Per il motore termico ci si è avvalsi di un modello presente in letterature, mentre quello per la trasmissione idrostatica è frutto di una regressione numerica di risultati sperimentali effettuati su macchine idrauliche. Il modello di previsione è stato testato per un autobus urbano dotato di una trasmissione idromeccanica dual stage. Il risultato conferma che il livello di pressione sonora del motore è superiore rispetto al a quello generato dalla trasmissione idrostatica, anche se quest’ultima è fortemente influenzata dalle condizioni operative. Infine questa tesi mostra una parte dell'attività sperimentale condotta presso il laboratorio di ricerca Maha Fluid Power Research Center (Purdue University, Lafayette, U.S.A.), e in particolare lo studio della versione idraulica ibrida di trasmissione del veicolo stradale Toyota Prius.