Integrated numerical and experimental analysis of oil sloshing in a tractor transmission system

The agricultural machinery industry is increasingly driven by strict requirements in terms of emission reduction, energy efficiency, and operational reliability. Within this framework, tractor transmissions represent highly complex mechanical systems, where the fluid dynamics of the lubrication circuit and the oil behaviour play a key role in overall performance. This thesis presents the results of a research and development project carried out at Same Deutz-Fahr (SDF), aimed at supporting the design and validation of a new tractor transmission. The study focused on the analysis and validation of transmission lubrication and hydraulic systems, with particular emphasis on oil fill volumes, oil take-out map definition, and the prevention of air ingestion phenomena. Another objective was to assess load-independent power losses under critical operating conditions, addressing the trade-off between ensuring adequate lubrication and suction capability while minimising losses caused by oil–gear interaction. Typical real-world operating scenarios were investigated, including steep slopes, dynamic manoeuvres, high-speed transport conditions, and operating modes characterised by high oil flow demand. A Virtual Prototyping approach was adopted using CFD simulations based on the Moving Particle Semi-Implicit (MPS) method, implemented in the Particleworks software. The numerical results were validated using experimental data provided by the SDF testing department. The simulations enabled the optimisation of the pumping layout and confirmed both a uniform oil distribution and the absence of air suction under the investigated conditions. The results highlight the complementary role of numerical modelling and experimental testing in the advanced development of modern tractor transmissions.

Il settore delle macchine agricole è soggetto a requisiti sempre più stringenti in termini di riduzione delle emissioni, incremento dell'efficienza energetica e miglioramento dell'affidabilità operativa. In questo contesto, le trasmissioni per trattori rappresentano sistemi meccanici complessi, nei quali la fluidodinamica dei circuiti di lubrificazione e il comportamento dell'olio influenzano in modo determinante le prestazioni complessive. La presente tesi riporta i risultati di un progetto di ricerca e sviluppo svolto presso Same Deutz-Fahr (SDF), finalizzato al supporto progettuale di una nuova trasmissione per trattori agricoli. L'attività si è focalizzata sull'analisi e la validazione dei sistemi di lubrificazione e idraulici della trasmissione, con particolare attenzione alla determinazione dei volumi di riempimento dell'olio, alla definizione della mappa di prelievo e alla prevenzione di fenomeni di aspirazione d'aria. Un obiettivo centrale è stato lo studio delle perdite di potenza indipendenti dal carico in condizioni operative critiche, affrontando il compromesso tra la necessità di garantire un'adeguata lubrificazione dei componenti e capacità di prelievo con la riduzione delle perdite dovute all'interazione tra olio e ingranaggi. Sono stati analizzati scenari rappresentativi di utilizzo reale, tra cui pendenze elevate, manovre dinamiche, trasporto ad alta velocità e condizioni caratterizzate da elevata richiesta di portata d'olio. È stato adottato un approccio di Virtual Prototyping basato su simulazioni CFD mediante il metodo Moving Particle Semi-Implicit (MPS), implementato nel software Particleworks. I risultati numerici sono stati validati tramite dati sperimentali forniti dal reparto sperimentale SDF. Le simulazioni hanno consentito di ottimizzare il layout di pompaggio e di verificare una distribuzione uniforme dell’olio, nonchè l’assenza di aspirazione d’aria nelle condizioni analizzate. I risultati ottenuti confermano il ruolo sinergico tra modellazione numerica e sperimentazione nella progettazione delle moderne trasmissioni.