液压泵通常是汽车工程师试图降低能量损失的重点。例如，动力转向系统已经从纯液压到电液且甚至纯电器进行了进展，使系统更有效。Fraunhofer LBF和Ricardo的工程师致力于将创新技术纳入液压泵，以提高系统性能和效率。我们共同努力，开发了一种新颖的泵设计，利用压电致动器，可以显着降低能量损失和改善的响应时间。仿真使我们能够验证设计是否满足规格。它还减少了发展时间为50％。
在汽车应用中，压电驱动液压泵主要用于要求低流量和压力的应用中(图1)。对于汽车控制系统，20 - 200bar的压力是必要的，这远远高于目前系列生产中的泵设计所产生的压力。
为了创建一种产生汽车控制系统所需压力的设计，模拟整个系统至关重要，包括泵，阀门和执行器（图2）。我们不能仅仅依赖于特定于域的工具中执行的单独模拟，因为提高了单位多个物理域的系统的效率需要系统级优化。校准和验证模型的能力也是至关重要的，因为我们使用的型号从极其详细的有限元模型到系统级。高级系统模型帮助我们保持尽可能短的运行时间并启用宽范围的参数变体。使用基于模型的设计开发泵使我们能够将现有设计的输出压力增加10倍。
选择应用程序和泵架构
在我们的新设计中，我们选择了用于选择性催化还原(SCR)的泵。可控硅系统用于柴油发动机，严格的排放和燃油经济性要求推动了高效排放控制的发展。该泵向汽车尾气中注入液体还原剂，促进氧化亚氮转化为双原子氮(N2）和水。我们系统中的还原剂是宪法®，尿素溶液。我们的泵必须产生50巴的输出压力，以提供高质量的喷雾，以改善混合物。
使用SimHydraulics®我们能够测试不同的泵体系结构，以找到最有可能使压电执行器能够在保持其快速响应时产生所需压力的人。为了最大限度地减少成本，我们希望只使用一个泵而不是需要额外的进料泵来实现所需压力的架构。SIMEVRAMICS中的测试让我们通过确定输入和输出阀弹簧的输入压力和弹簧刚度来改进泵规范。
在建筑选择过程中，我们测试了设计对各个构件参数的敏感性。我们确定，泵满足规格的能力很大程度上受到形成泵腔密封的碟形弹簧的设计的影响。simhydraulic模拟有助于确定弹簧设计要求(最小和最大弹簧速率、几何形状和阀瓣刚度)。
将详细设计合并到系统级模型中
当我们设计夹紧圆盘弹簧时，有限元分析很有用。为了找到一种提供最低弯曲体积，最大输送室容积和最小刚度的设计，我们使用Ricardo内部开发的工具。实验方法的设计用于识别最佳设计。我们将Spring行为纳入Simehydraulics模型，看看整体系统是否仍然符合新的夹紧圆盘弹簧的设计要求。
止回阀对泵的性能至关重要。在该项目上工作的工程师具有广泛的体验，具有这些类型的阀门，因此他们定制了标准的SimeyROULICS组件，以获得他们想要在其模型中捕获的效果。仿真分析表明，泵阀的特征频率需要非常接近泵的工作频率，以避免与系统的固有频率相互作用。
在设计开始时，该团队使用了理想的执行器模型来确保所需的力保持在压电执行器可以产生的范围内。接下来，我们介绍了Simulink万博1manbetx®建立了压电叠堆执行器模型，验证了执行器的动态性能仍能使泵满足系统级要求。模型中包含了放大器和电源，将系统的电气部分添加到仿真中。
比较系统级性能与规范
工程师在Simulink环境中模拟了整个系统(图3)。液压系统的复杂性，包括多个阀门、流体压缩性、万博1manbetx迟滞和多个流动路径，如果没有simhydraulic提供的块，将很难建模。团队使用MATLAB®对后处理仿真结果并确保设计符合系统要求。
仿真显示我们需要调整命令信号和放大器以实现所需的压力轮廓。结果还表明，具有用于夹紧盘弹簧的优化设计的架构符合压电驱动泵的压力要求。
我们在实际硬件上验证了我们的仿真结果。我们构建的第一个原型验证了仿真结果并达到了泵规格。没有模拟和验证系统在单个环境中的性能的能力，我们必须依靠单独的仿真工具和硬件原型。它将花费两倍以创建设计，并且不可能将泵的输出增加10倍，这是该设计所必需的。
未来发展
在Fraunhofer LBF和Ricardo的开发项目中，模拟是必不可少的。与Simscape™和simhydraulic，我们可以对多领域系统进行优化设计。目前，我们正在进一步改进设计，为我们的压电驱动泵建造第二个原型，我们希望在未来看到更好的性能。
