液压泵通常是汽车工程师试图减少能量损失的重点。例如，动力转向系统已经从纯液压发展到电液甚至纯电动，以提高系统的效率。Fraunhofer LBF和Ricardo的工程师专注于将创新技术融入液压泵，以提高系统性能和效率。通过合作，我们开发了一种利用压电驱动器的新型泵设计，显著降低了能量损失，并缩短了响应时间。仿真使我们能够验证设计符合规范。它还将开发时间缩短了50%。
在汽车应用中，压电驱动液压泵主要用于要求低流量和低压力的应用(图1)。对于汽车控制系统，需要20 - 200bar的压力，这远远高于目前在量产的泵设计产生的压力。
为了创建一个能够产生汽车控制系统所需压力的设计，模拟整个系统是至关重要的，包括泵、阀门和执行器(图2)。我们不能仅仅依赖于在特定领域的工具中执行的单独模拟，因为提高一个联合多个物理领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，因为我们使用的模型范围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运行时间尽可能短，并支持广泛的参数变化。使用基于模型的设计来开发泵，使我们能够将现有设计的输出压力提高10倍。
选择应用程序和泵架构
对于我们的新设计，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有效排放控制的发展。该泵向汽车尾气流中注入液态还原剂，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AdBlue®，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，将改善混合物。
使用SimHydraulics®我们能够测试不同的泵结构，以找到最有可能使压电驱动器在保持快速响应的同时产生所需压力的泵结构。为了最大限度地降低成本，我们想要一种只使用一个泵的架构，而不是需要一个额外的给水泵来达到所需的压力。SimHydraulics的测试让我们通过确定输入压力和输入输出阀弹簧的弹簧刚度来细化泵的规格。
在架构选择过程中，我们测试了设计对各种组件参数的敏感性。我们确定，泵满足规格的能力在很大程度上受到卡箍盘式弹簧的设计影响，盘式弹簧形成了泵腔的密封。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)。
将详细设计纳入系统级模型
有限元分析在设计夹紧盘式弹簧时很有用。为了找到能够提供最小弯曲体积、最大输送腔体积和最小刚度的设计，我们使用了Ricardo内部开发的工具。采用实验设计方法确定最佳设计方案。我们将弹簧行为纳入SimHydraulics模型，以查看使用新的夹紧碟形弹簧的整体系统是否仍然满足设计要求。
止回阀对泵的性能至关重要。从事该项目的工程师对这些类型的阀门有丰富的经验，所以他们定制了标准的SimHydraulics组件，以获得他们想要在模型中捕获的效果。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，以避免与系统固有频率相互作用。
在设计之初，该团队使用理想的致动器模型，以确保所需的力保持在压电致动器可以产生的范围内。接下来我们介绍了Simulink金宝app®压电堆栈执行器模型，以验证执行器的动态性能仍能使泵满足系统级要求。在模型中加入放大器和电源，将系统的电气部分加入到仿真中。
系统级性能与规范的比较
工程师们在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、流体压缩性金宝app、滞后和多条流道，如果没有SimHydraulics提供的模块，将非常难以建模。该团队使用MATLAB®对仿真结果进行后处理，确保设计满足系统要求。
仿真表明，我们需要调整命令信号和放大器，以实现所需的压力分布。结果表明，优化后的夹紧碟形弹簧结构满足压电驱动泵的压力要求。
我们在实际硬件上验证了仿真结果。我们制造的第一个原型验证了模拟结果，并满足泵的规格。如果没有在单一环境中模拟和验证系统性能的能力，我们将不得不依赖单独的仿真工具和硬件原型。这将花费两倍的时间来创建设计，并且不可能将泵的输出增加10倍，而这是设计所要求的。
未来的发展
在夫琅和费LBF和里卡多的发展项目中，模拟是必不可少的。与Simscape™和SimHydraulics，我们可以优化多域系统的设计。基于对设计的进一步改进，我们目前正在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。
