Numerical and experimental methodologies for the dynamic behaviour assessment and design improvement of cam profile mechanisms

I profili a camma sono ampiamente impiegati nella progettazione di meccanismi per la loro capacità di generare movimenti precisi e ripetibili. Un’applicazione di questi profili si trova nel meccanismo camma-punteria, sul quale sono stati svolti molti studi per analizzare la dinamica di questo meccanismo e gli effetti di questa sull’integrità strutturale, l’usura, i fenomeni non lineari e la stabilità del meccanismo stesso, soprattutto in ambito automotive. Una seconda applicazione di questi profili nel campo automotive si trova nelle pompe a palette bilanciate, utilizzate per la lubrificazione dei cambi automatici delle automobili. Queste pompe sono apprezzate per la loro compattezza, silenziosità e affidabilità. Tuttavia, questi risultati sono spesso raggiunti grazie a complesse e dispendiose campagne sperimentali e competenze multidisciplinari. Diversi studi sperimentali e numerici si sono concentrati sull’analisi delle prestazioni fluido-dinamiche della pompa, mentre pochi lavori hanno analizzato il comportamento dinamico del meccanismo. Con queste premesse, questa tesi propone metodi sperimentali e numerici per l’analisi del comportamento dinamico di entrambi i meccanismi nominati sopra. La prima parte della tesi si concentra sui meccanismi camma-punteria. In particolare, il meccanismo è modellato tramite uno schema ad un singolo grado di libertà con la minima complessità sufficiente a catturare i principi fondamentali del problema. La principale novità introdotta riguarda la caratterizzazione qualitativa del comportamento dinamico di questi meccanismi tramite l’analisi di continuazione, considerando la perdita di contatto e l’eccitazione parametrica dovuta alla variazione della rigidezza di contatto e dell’angolo di pressione. Successivamente, è stato proposto un modello multi-corpo di un meccanismo camma-dito-punteria per lo studio del moto rotatorio della punteria e la sua relazione con la geometria del sistema. A questo scopo, è stato analizzato un sottogruppo della distribuzione di una famosa auto di Formula Uno. La validazione sperimentale del moto di rotazione della valvola mostra l’accuratezza delle predizioni numeriche. La principale novità riguarda lo studio dell’interazione tra il moto rotatorio della valvola, le geometrie di contatto e l’usura tra stelo valvola e la sua guida. La seconda parte della tesi riguarda l’analisi delle pompe a palette. In primo luogo, è stata proposta una metodologia sperimentale per la caratterizzazione del comportamento dinamico del meccanismo in termini di carichi e della posizione della paletta rispetto all’anello statorico. A questo scopo, la pressione nel retro-paletta è stata misurata tramite un trasduttore di pressione posto in una camera di misura dedicata. La posizione della paletta è invece stata misurata tramite un sensore capacitivo, alloggiato nell’anello statorico. La principale novità è l’analisi del segnale di pressione nel retro-paletta. Inoltre, l’approccio sperimentale proposto per la misura della posizione dinamica della paletta è completamente originale. Infine, è stato sviluppato un modello tribo-dinamico della pompa a palette bilanciata. Questo modello include un modello a parametri concentrati ad un singolo grado di libertà della paletta e un modello di lubrificazione. Quest’ultimo consiste in una soluzione numerica di lubrificazione elasto-idrodinamica (EHL) in transitorio per un contatto lineare, basata su uno schema alle differenze finite e un modello analitico per la lubrificazione idrodinamica. L’applicazione del modello EHL a questo meccanismo è completamente originale. Inoltre, è stato sviluppato un metodo originale per la stima della rigidezza di contatto tra paletta e anello statorico, basato su analisi agli elementi finiti. Infine, i risultati del modello sono stati validati grazie ai dati sperimentali mostrando un accordo soddisfacente.

Cam profiles are highly adopted geometries within the field of mechanism design for their capability to generate precise and repeatable motions. A traditional application of cam profiles is found in the cam-follower mechanisms. Particularly, in the automotive field, all engines depend on cams for their proper valve function. Within this framework, studies have been devoted to the investigation of the dynamics of these systems focusing on its effect on the structural integrity, wear, nonlinear phenomena and stability. A second application of cam profiles within the automotive field is found in balanced vane pumps, applied in automatic transmission oil circuits for passenger cars, in the last years. These pumps are appreciated for their compactness, quietness and reliability. However, these results are usually achieved through complex and expensive design processes involving large experimental campaigns and multi-disciplinary competencies. A number of experimental and numerical studies have been found analysing the fluid-dynamic performance of the pump, while only a few works analyse the dynamic behaviour of this mechanism. On this basis, this thesis proposes experimental and numerical approaches for the analysis of the dynamic behaviour of both cam-follower and balanced vane pumps. The first part of the thesis focuses on the cam-follower mechanism. In particular, the mechanism is modelled by means of a single degree of freedom (SDOF) scheme with the minimal complexity sufficient to capture the fundamentals of the problem, considering external excitation, loss of contact and parametric excitation. The main novelty pertains to the qualitative characterization of the dynamic behaviour of cam-follower systems by means of continuation analysis considering both loss of contact and parametric excitation due to both the contact stiffness and pressure angle variation. Subsequently, a cam-finger-follower multibody model has been proposed to study the follower spin motion and its relationship with the system geometry. To this scope, a valve train subsystem of a famous Formula One car has been analysed, where the valve corresponds to the follower of the system. An experimental validation of the follower spin motion is presented, demonstrating the accuracy of the numerical predictions. The main novelty is the study of the interaction between the spin motion of the valve, the design of the contact geometries and the wear phenomenon occurring between the valve stem and its guide. The second part of the thesis regards the analysis of the balanced vane pump by means of experimental and numerical approaches. First, an experimental methodology has been proposed to characterize the dynamic behaviour of this mechanism in terms of dynamic loads and vane position with respect to the cam ring, stator of the pump. To this scope, the under-vane pressure has been measured by means of pressure transducer placed in a dedicated measurement chamber. On the other hand, the vane position has been monitored by means of a capacitive sensor housed in the cam ring. The main novelty pertains to the analysis of the under-vane pressure signal. Furthermore, the experimental approach proposed for the measurement of the vane dynamic position is totally original. Finally, a tribo-dynamic model of the balanced vane pump has been proposed. This model comprises a lumped SDOF model of the vane and a lubrication model. On the other hand, the lubrication model consists of a numerical transient elasto-hydrodynamic lubrication (EHL) solution for the line contact, based on finite difference scheme, and an analytical hydrodynamic lubrication model. For the first time a transient EHL model has been developed for this mechanism. Furthermore, an original method for the estimation of the contact stiffness between the vane and cam ring, based on FE analyses, has been proposed. Finally, the model results have been validated against experimental data showing satisfactory agreement.