液压泵往往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，以使系统更有效率。Fraunhofer LBF和Ricardo的工程师专注于将创新技术应用到液压泵中，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，既显著减少了能量损失，又改善了响应时间。模拟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。
为了设计出汽车控制系统所需的压力，模拟整个系统是至关重要的，包括泵、阀门和执行器(图2)。我们不能仅仅依靠特定领域的工具进行独立模拟。因为提高一个统一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，因为我们使用的模型范围从非常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该泵，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
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。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，以改善混合物。
使用SimHydraulics®我们能够测试不同的泵结构，以找到一种最可能使压电驱动器开发所需的压力，同时保持其快速响应。为了降低成本，我们想要一种只使用一个泵的结构，而不是需要额外的给水泵来达到所需的压力。通过确定输入和输出阀弹簧的输入压力和弹簧刚度，在SimHydraulics中进行的测试可以细化泵的规格。
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
有限元分析是设计夹紧式碟形弹簧的有效方法。为了找到一种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，我们使用了里卡多公司内部开发的工具。采用实验设计方法确定了最佳设计方案。我们在SimHydraulics模型中加入了弹簧的特性，以确定采用新型夹紧阀瓣弹簧后，整个系统是否仍然满足设计要求。
止回阀对泵的性能至关重要。该项目的工程师对这些类型的阀门有丰富的经验，因此他们定制了标准SimHydraulics组件，以获得他们想要在模型中捕捉的效果。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的相互作用。
在设计之初，该团队使用了理想的驱动器模型，以确保所需的力保持在压电驱动器可以产生的范围内。接下来，我们介绍了Simulink金宝app®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、金宝app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®对仿真结果进行后处理，确保设计符合系统要求。
仿真表明，我们需要调整命令信号和放大器，以实现所需的压力剖面。结果表明，经过优化设计的碟形弹簧结构满足了压电驱动泵的压力要求。
在实际硬件上验证了仿真结果。我们建造的第一个原型验证了仿真结果，满足泵的规格要求。如果没有在单一环境中模拟和验证系统性能的能力，我们将不得不依赖独立的仿真工具和硬件原型。这将花费两倍的时间来创造设计，并且不可能将泵的输出增加10倍，这是这种设计所要求的。
未来的发展
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。
