Projeto de sistema mecânico para variação de caudal em bombas de óleo de cilindrada fixa

Abstract

Esta dissertação teve como objetivo o desenvolvimento, projeto e integração de um sistema mecânico para variação de caudal em bombas de óleo de cilindrada fixa para utilização preferencial em veículos automóveis ligeiros. Para este desenvolvimento tomou-se como referencial de funcionamento e geométrico uma bomba de óleo de cilindrada fixa disponível comercialmente utilizada em veículos ligeiros, à qual foi integrado um sistema de variação contínua de velocidade. Esta integração permite variar a velocidade do módulo de bombagem, constituído por duas engrenagens e um corpo de geometria fixa, de forma independente da velocidade de rotação/acionamento do motor. A variação de velocidade do módulo de bombagem possibilita um ajuste do caudal de óleo debitado pela bomba às condições de funcionamento do motor, evitando-se o desperdício de caudal para as rotações mais elevadas do motor, característica comum das bombas de óleo de cilindrada fixa convencionais, aumentando-se assim a eficiência da bomba. Inicialmente, realizou-se o enquadramento deste tema a nível tecnológico, ambiental e económico. Descreveu-se os tipos de bombas existentes e seus princípios de funcionamento, vantagens e desvantagens das bombas volumétricas. Realizou-se um estudo de mercado, que permitiu comparar as soluções existentes de bombas de óleo no setor automóvel e procedeu-se a uma pesquisa de patentes com o objetivo de conhecer os mais recentes desenvolvimentos aplicados a estas bombas. Enunciaram-se os conceitos básicos dos sistemas mecânicos de variação contínua de velocidade, enumerando as vantagens e desvantagens de cada um. Procedeu-se à definição das principais especificações técnicas requeridas para a bomba de óleo a desenvolver e à geração de três conceitos de variação contínua de velocidade aplicados à bomba de óleo, realizando-se a sua comparação quantitativa e posterior seleção. Foram estruturalmente dimensionados/verificados analiticamente os componentes mais críticos do sistema de variação de velocidade de modo a avaliar a exequibilidade técnica do sistema tendo em conta as suas compactas dimensões e possível industrialização. Esquematizou-se e dimensionou-se o sistema de controlo do módulo de variação de velocidade com base na pressão de funcionamento do motor. Finalmente realizou-se a modelação geométrica de todos os componentes da bomba por forma a garantir dimensões e arquitetura compatíveis com as bombas comercias. Complementarmente realizaram-se simulações estruturais, com o método dos elementos finitos, dos subconjuntos mais críticos sendo avaliadas em termos dos limites de resistência mecânica dos materiais à fadiga e das pressões limite de contacto desenvolvidos entre os diferentes componentes. Foi realizada a simulação cinemática do conjunto a _m de confirmar o modo de funcionamento combinado do sistema de controlo com o sistema de variação de velocidade. Concluiu-se este trabalho com a execução dos desenhos de conjunto e lista de componentes. O conceito de bomba de óleo desenvolvida responde do ponto de vista de arquitetura, funcional, estrutural e dimensional à hipótese de aplicação num motor de combustão automóvel, respondendo assim ao principal objetivo do presente trabalho.

This Master Thesis aimed at the development, design and integration of a mechanical system for ow variation in fixed displacement oil pumps for preferential use in light-duty vehicles. For this, a commercially available fixed displacement oil pump used in light vehicles was used as a working and geometric reference point, to which a continuous speed variation system was integrated. This integration allows the velocity of the pumping module, consisting of two gears and a fixed geometry body, to be varied independently of the speed of rotation of the engine. The speed variation of the pumping module allows the pump to adjust the oil flow rate to the engine operating conditions, avoiding the waste of the flow rate for higher engine speeds, a common feature of fixed displacement oil pumps, thus increasing pump effciency. Initially, the theme was framed at technological, environmental and economic level. The types of pumps and their operating principles, advantages and disadvantages of volumetric pumps were described. A market research was carried out, comparing existing oil pump solutions in the automotive sector and a patent research was made in order to know the most recent developments applied to these pumps. The basic concepts of the mechanical systems of continuous speed variation were described, enumerating the advantages and disadvantages of each one. The main technical specifications required for the oil pump to be developed were specified and three concepts of continuous speed variation applied to the oil pump were made, and the quantitative comparison and subsequent selection were carried out. The most critical components of the speed variation system were structurally dimensioned / veri ed in order to assess the technical feasibility of the system, taking into account its compact dimensions and possible industrialization. The speed variation module control system was schematized and dimensioned based on the engine operating pressure. Finally, the geometric modeling of all the components of the pump was carried out in order to guarantee dimensions and architecture compatible with the commercial pumps. Complementary structural simulations were performed with the finite element method of the most critical subassemblies being evaluated in terms of the limits of mechanical resistance of the materials to fatigue and the contact pressures developed between the different components. Kinematic simulation of the assembly was performed to confirm the combined mode of operation of the control system with the speed variation system. This work was concluded with the execution of the assembly drawings and list of components. The developed oil pump concept responds from the point of view of architecture, functional, structural and dimensional to the hypothesis of application in an automobile combustion engine, thus responding to the main objective of the present work.