OptiELF - Optimierung der Energieeffizienz von hydraulischen Systemen in Fahrzeugen

Dehnschlauchleitungen, eine Kombination von Rohrleitungen, Drosseln, Resonatoren und flexiblen Hochdruckdehnschläuchen, sind eine wesentliche Teilkomponente von Fahrzeughydrauliksystemen, um die Auswirkungen der Druckpulsationen durch die Pumpe, bzw. die hierdurch verursachte Schallabstrahlung am Lenkgetriebe und die Schwingungsanregungen an den Halterungen der Karosserie, zu verringert oder auch völlig zu beseitigen. Allerdings haben die »Tuning-Maßnahmen« erhöhte Drosselverluste bei der Energieübertragung zur Folge und damit einen höheren Energieverbrauch, der die Energiebilanz von Fahrzeughydrauliksystemen verschlechtert.

Ziel des Projekts OptiELF ist die Steigerung der Energieeffizienz der hydraulischen Leistungsübertragung durch eine ganzheitliche Betrachtung aller Teilkomponenten unter Beibehaltung der akustisch/dynamischen Qualität. Hierdurch kann der konstruktive Aufbau der Dehnschlauchleitungen einfacher ausgeführt werden und eventuell sogar ergänzende Sekundärmaßnahmen zur Geräuschdämmung entfallen, sodass sich als zu erwartender Nebeneffekt außerdem eine Reduzierung des Systempreises ergibt.

Die Entwicklungsmethodik kann überall dort eingesetzt werden, wo heute im Automobilbau oder in einem Nutzfahrzeug Hydrauliksysteme zu finden sind, bei denen aus akustischen Gründen Pumpe und Aktuator durch Dehnschlauchleitungen oder durch eine Kombination von Stahl- und Schlauchleitungen verbunden sind.

Motivation

Hydraulische Energieübertragungssysteme bestehen aus Pumpe(n), Leitungen, Ventil(en) und Verbraucher(n). Beim Auftreten unerwünschter Druckschwingungsphänomene ist es erforderlich, das Schwingungsverhalten für unterschiedliche Systembetriebspunkte zu untersuchen. Zur Problemidentifikation müssen alle Komponenten, die das Schwingungsverhalten beeinflussen, mit in die Problemanalyse einbezogen werden.

Während sich Leitungen und Ventile, einschließlich ihrer jeweiligen Nichtlinearitäten, in einer zeitbereichsbasierten Simulation noch recht einfach abbilden lassen, ist die Modellierung einer Pumpe, die für die Analyse des Druckschwingungsverhaltens eines hydraulischen Systems geeignet ist, auch heute noch sehr aufwändig. Benötigt wird ein Pumpenmodell, das dynamischen Effekte, wie charakteristische druck- und drehzahlabhängige Volumenstrompulsation oder die Pumpenimpedanz abbildet.

Physikalische Pumpenmodelle wären prinzipiell dazu in der Lage, die benötigten Effekte in der Simulation abzubilden, ihre Erstellung setzt allerdings konstruktive Detailkenntnis voraus. Auch sind die immer noch notwendigen Validierungsmessungen und -simulation, sehr zeitaufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Für die kurzfristige simulative Analyse von Druckschwingungsphänomenen sind die physikalischen Pumpenmodells aufgrund ihrer langen Rechenzeiten außerdem nur sehr eingeschränkt nutzbar.

Benötigt wird ein alternativer Ansatz, bei dem die im System vorhandene Pumpe unter definierten Randbedingungen kurzfristig auf einem entsprechend ausgerüsteten Prüfstand vermessen wird und diese Messdaten dann, gemeinsam mit geeignet adaptierten klassischen physikalischen Modellierungsansätzen, zum Aufbau des Pumpenmodells genutzt werden.

Lösung

Im Projekt OptiELF es wurde ein hybrides Pumpenmodell erarbeitet, das mittels einer Kombination von Komponentenvermessung und klassischen physikalischen Modellierungsansätzen die Eingangsimpedanz und die charakteristische Volumenstrompulsation einer Pumpe oder eines Aktuators in der simulativen Druckschwingungsanalyse abbildet. Kern des hybriden Pumpenmodells sind Messungen der Pumpe in zwei unterschiedlichen Prüfstandskonstellationen.

In der ersten Prüfstandskonstellation wird für unterschiedliche Drehzahlen nach der „2-pressures/2-systems“ (2p2s)-Methode die betriebspunktabhängige Pumpenimpedanz ermittelt. Im Simulationsmodell wird diese messtechnisch identifizierte Impedanz durch ein auf einem l/4-Resonanzrohr basierendes physikalisches Teilmodell abgebildet.

In der zweiten Prüfstandskonstellation wird die Pumpe unter Variation des statischen Drucks und der Drehzahl gegen einen reflexionsarmen Leitungsabschluss (RaLa) vermessen. Das Ergebnis der Aufbereitung der RaLa-Messdaten sind die betriebspunktabhängigen, charakteristischen Volumenstrompulsationen der Pumpe, die anschließend mittels eines speziellen mehrdimensionalen Linienkennfelds direkt in das Simulationsmodell der Pumpe übernommen werden können.

Das neue hybride Pumpenmodell bietet den geeigneten Modellieransatz, um die Dynamik einer verfügbaren realen Pumpe in eine Systemsimulation einzubinden. Das hybride Pumpenmodell wird immer dann ein wertvolles Hilfsmittel sein, wenn bei gegebener Pumpe die Optimierung des hydraulischen Leitungssystems im Fokus der Entwicklungsarbeit steht. Simulativ können in kurzer Zeit verschiedene Leitungskonfigurationen überprüft werden, sodass das für den entsprechenden Anwendungsfall das optimale Setup insgesamt deutlich schneller und mit weniger Aufwand definiert werden kann.

Veröffentlichungen

Baum, H.; Becker, K.; Faßbender, A.: „Hybrid Pump Model for 1D Hydraulic System Simulation“; Modern Fluid Power - Challenges, Responsibilities, Markets; 9. International Fluid Power Conference (IFK); Seite 38-49; 2014; ISBN: 978-3-9816480-0-3
Baum, H.; Becker, K.; Fassbender, A.: „Hybrides Pumpenmodell für die Systemsimulation - Synthese und messtechnische Ermittlung der Parameter“; Verein Deutscher Ingenieure / VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik; 2224 - Simulation und Erprobung in der Fahrzeugentwicklung, Seite 425-438; 2014; ISBN: 9783180922249