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Simulation des Designs einer piezoelektrischen Hydraulikpumpe am Fraunhofer LBF und bei Ricardo

By Von H. Atzrodt, Fraunhofer LBF und Dr. A. Alizadeh, Ricardo Deutschland GmbH

Häufig stehen Hydraulikpumpen im Fokus von Automobilingenieuren, die versuchen, Energieverluste zu verringern. Servolenkungen haben sich beispielsweise von rein hydraulisch zu elektrohydraulisch und sogar rein elektrisch entwickelt, um das System effizienter zu machen. Ingenieure am Fraunhofer LBF und bei Ricardo konzentrieren sich auf die Integration innovativer Technologien in Hydraulikpumpen, um die Systemleistung und Effizienz zu verbessern. Wir haben in Zusammenarbeit ein neues Pumpendesign entwickelt, das piezoelektrische Aktuatoren wirksam einsetzt und dadurch sowohl eine erhebliche Verringerung von Energieverlusten als auch eine verbesserte Reaktionszeit bietet. Mithilfe einer Simulation konnten wir bestätigen, dass das Design die Spezifikationen erfüllt. Außerdem wurde die Entwicklungszeit um 50 % verkürzt.

In Anwendungen für die Automobilindustrie wurden piezoelektrische Hydraulikpumpen hauptsächlich in Anwendungen verwendet, für die niedrige Durchflussmengen und Drücke erforderlich sind (Abbildung 1). Für Steuerungssysteme im Automobilbereich sind Drücke von 20–200 bar notwendig. Dieser Wert liegt deutlich über dem Druck, der von Pumpendesigns in der aktuellen Serienproduktion erzeugt wird.

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Abbildung 1. Von einem piezoelektrischen Aktuator betriebene Hydraulikpumpe zur Verwendung in Anwendungen für die Automobilindustrie.

Zum Erstellen eines Designs, das die erforderlichen Drücke für Steuerungssysteme im Automobilbereich erzeugt, war es entscheidend, das gesamte System zu simulieren, einschließlich der Pumpe, der Ventile und des Aktuators (Abbildung 2). Wir konnten uns nicht nur auf getrennte Simulationen verlassen, die auf domänenspezifischen Werkzeugen durchgeführt werden, da die Verbesserung der Effizienz eines Systems, das mehrere physikalische Bereiche vereint, eine Optimierung auf Systemebene verlangt. Die Fähigkeit, die Modelle zu kalibrieren und zu validieren war ebenfalls entscheidend, da die Modelle, die wir verwenden, von äußerst detaillierten finiten Elementmodellen bis hin zu Modellen auf Systemebene reichen. Die Systemmodelle auf höherer Ebene helfen uns dabei, die Laufzeiten so kurz wie möglich zu halten und ermöglichen umfangreiche Parametervariationen. Durch die Verwendung des modellbasierten Designs zur Entwicklung der Pumpe konnten wir den Ausgangsdruck vorhandener Designs um den Faktor 10 erhöhen.

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Abbildung 2. Abbildung der piezoelektrischen Pumpe, die aus einem piezoelektrischen Aktuator, einer eingespannten Tellerfeder, Hydraulikflüssigkeit, Ventilen und einem elektrischem Antrieb besteht.

Auswahl der Anwendung und Pumpen-Architektur

Für unser neues Design haben wir die Pumpe ausgewählt, die bei der selektiven katalytischen Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) verwendet wird. SCR-Systeme werden in Dieselmotoren verwendet, bei denen strenge Emissions- und Kraftstoffeffizienzanforderungen die Entwicklung effizienter Emissionskontrollen vorantreiben. Die Pumpe spritzt ein flüssiges Reduktionsmittel in den Abgasstrom des Kraftfahrzeugs, was die Umwandlung von Stickstoffoxid in zweiatomigen Stickstoff (N2) und Wasser bewirkt. Das Reduktionsmittel in unserem System ist AdBlue, eine Harnstofflösung. Unsere Pumpe muss einen Ausgangsdruck von 50 bar erzeugen, um einen hochwertigen Spray zu liefern, der die Mischung verbessert.

Unter Verwendung von SimHydraulics® konnten wir verschiedene Pumpen-Architekturen testen, um diejenige zu finden, die am wahrscheinlichsten geeignet ist, mit einem piezoelektrischen Aktuator den erforderlichen Druck zu erzeugen, während die schnelle Reaktion beibehalten wird. Zur Minimierung der Kosten haben wir nach einer Architektur gesucht, die nur eine Pumpe verwendet, anstatt Designs, für die eine zusätzliche Förderpumpe zum Erreichen des erforderlichen Drucks benötigt wird. Mithilfe von Tests in SimHydraulics konnten wir die Pumpen-Spezifikation präzisieren, indem wir den Eingangsdruck und die Federsteifigkeit für die Einlass- und Auslassventilfedern bestimmt haben.

Während der Auswahl der Architektur haben wir die Empfindlichkeit des Designs für verschiedene Komponentenparameter getestet. Wir haben festgestellt, dass die Fähigkeit der Pumpe, die Spezifikationen zu erfüllen, stark vom Design der eingespannten Tellerfeder beeinflusst wurde, welche die Dichtung für die Pumpenkammer bildet. Die SimHydraulics-Simulationen waren hilfreich bei der Bestimmung der Feder-Designanforderungen (minimale und maximale Federrate, Geometrie und Scheibensteifigkeit).

Integration eines detaillierten Designs in das Modell auf Systemebene

Die Finite-Element-Analyse war hilfreich beim Design der eingespannten Tellerfeder. Auf der Suche nach einem Design, das das minimale Biegungsvolumen, das maximale Verteilerkammervolumen und die minimale Steifigkeit bietet, haben wir ein von Ricardo selbst entwickeltes Werkzeug verwendet. Es wurden Methoden der statistischen Versuchsplanung verwendet, um das optimale Design zu ermitteln. Wir haben das Federverhalten in das SimHydraulics-Modell integriert, um festzustellen, ob das Gesamtsystem mit der neuen eingespannten Tellerfeder weiterhin die Designanforderungen erfüllt.

Die Rückschlagventile sind entscheidend für die Leistung der Pumpe. Ingenieure, die an dem Projekt arbeiten, besitzen umfangreiche Erfahrung mit diesen Arten von Ventilen, sodass sie die standardmäßigen SimHydraulics-Komponenten angepasst haben, um genau die Wirkungen zu erzielen, die sie in ihrem Modell erreichen wollten. Die Simulationsanalyse hat gezeigt, dass die Eigenfrequenz der Pumpenventile sehr nah an der Betriebsfrequenz liegen musste, um Wechselwirkungen mit der natürlichen Frequenz des Systems zu vermeiden.

Zu Beginn des Designs hat das Team ideale Aktuatormodelle verwendet, um sicherzustellen, dass die erforderliche Kraft innerhalb eines Bereichs bleibt, den ein piezoelektrischer Aktuator erzeugen könnte. Als Nächstes haben wir Simulink®-Modelle von piezoelektrischen Stapelaktoren eingeführt, um sicherzustellen, dass die Pumpe mit der dynamischen Leistung des Aktuators weiterhin die Anforderungen auf Systemebene erfüllt. Der Verstärker und die Stromversorgung wurden in das Modell eingefügt, um den elektrischen Anteil des Systems bei der Simulation zu berücksichtigen.

Vergleich der Leistung auf Systemebene mit der Spezifikation

Ingenieure haben das Gesamtsystem innerhalb der Simulink-Umgebung simuliert (Abbildung 3). Die Komplexität des Hydrauliksystems mit mehreren Ventilen, Komprimierbarkeit von Flüssigkeiten, Hysterese und mehreren Flusswegen wäre ohne die Blöcke, die SimHydraulics zur Verfügung stellt, äußerst schwierig zu modellieren. Das Team hat MATLAB® verwendet, um die Simulationsergebnisse nachzubearbeiten und sicherzustellen, dass das Design die Systemanforderungen erfüllt.

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Abbildung 3. Das SimHydraulics-Modell der piezoelektrischen Pumpe (links) mit angepassten Rückschlagventilmodellen wurde unter Verwendung von Simulink und SimHydraulics erstellt. Der piezoelektrische Aktuator (rechts) wurde in Simulink modelliert.

Die Simulation hat gezeigt, dass wir das Befehlssignal und den Verstärker anpassen müssen, um die gewünschten Druckprofile zu erreichen. Die Ergebnisse haben auch gezeigt, dass die Architektur mit dem optimierten Design für die eingespannte Tellerfeder die Druckanforderungen für die piezoelektrische Pumpe erfüllt.

Wir haben unsere Simulationsergebnisse auf tatsächlicher Hardware überprüft. Der erste Prototyp, den wir erstellt haben, hat die Simulationsergebnisse bestätigt und die Pumpen-Spezifikationen erfüllt. Ohne die Fähigkeit, die Leistung des Systems in einer einzigen Umgebung zu simulieren und zu überprüfen, hätten wir uns auf getrennte Simulationswerkzeuge und Hardware-Prototypen verlassen müssen. Die Erstellung des Designs hätte doppelt so lange gedauert und es wäre nicht möglich gewesen, die Leistung der Pumpe um den Faktor 10 zu erhöhen, der für dieses Design benötigt wurde.

Zukünftige Entwicklung

Die Simulation ist für Entwicklungsprogramme am Fraunhofer LBF und bei Ricardo unerlässlich. Mit Simscape™ und SimHydraulics können wir Designs von Mehrdomänensystemen optimieren. Wir entwickeln aktuell einen zweiten Prototyp für unsere piezoelektrische Pumpe auf Grundlage weiterer Verbesserungen des Designs und wir erwarten zukünftig eine noch bessere Leistung.

Veröffentlicht 2012 - 91979v00

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