Name: a modeling and simulation method for preliminary design of an electro-variable displacement pump
Uploaded: 2022-06-01T13:00:00
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Die Autoren danken dem Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls für die Unterstützung dieser Forschung.

HINWEIS: Matlab und Simcenter Amesim (im Folgenden als Systemsimulationsplattform bezeichnet) wurden in diesem Protokoll verwendet und sind in der Materialtabelle aufgeführt. Das vorgeschlagene Protokoll ist jedoch nicht auf die Implementierung in diesen beiden Softwareanwendungen beschränkt.
1. Auswählen und Klassifizieren der EVDP-Designparameter (Schritt 1 in Abbildung 2).
<ol><li>Zerlegen Sie die Architek...

<ol>
	<li>Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Classification+and+review+of+pump-controlled+differential+cylinder+drives.">Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives.</a> Energies. 12 (7), 1293 (2019).</li><li>Alle, N., Hiremath, S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+on+electro+hydrostatic+actuator+for+flight+control.">Review on electro hydrostatic actuator for flight control.</a> International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).</li><li>Garrison, M., Steffan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-fault+tolerant+electric+actuation+systems+for+space+applications.">Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications.</a> 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &amp; Exhibit. , (2006).</li><li>Smith, S., Irving, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electro+hydrostatic+actuators+for+control+of+undersea+vehicles.">Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles.</a> Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , (2006).</li><li>Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Research+on+dual-variable+integrated+electro-hydrostatic+actuator.">Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).</li><li>Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+dynamic+performance+analysis+of+a+novel+integrated+electro+mechanical+hydrostatic+actuator.">Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator.</a> The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, 2563-2573 (2018).</li><li>Liu, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , (2015).</li><li>Jean-Charles, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Best+practices+for+model-based+and+simulation-aided+engineering+of+power+transmission+and+motion+control+systems.">Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).</li><li>Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simulation-based+multiobjective+optimization+design+method+for+pump-driven+electro-hydrostatic+actuators.">A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators.</a> Processes. 7, 274 (2019).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+as+a+support+for+selection+and+design+of+aircraft+actuation+systems.">Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems.</a> 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems.">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).</li><li>Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+preliminary+design+of+electromechanical+actuators.">Optimal preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).</li><li>Liscou&#235;t, J., Budinger, M., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+for+reliability+of+electromechanical+actuators.">Design for reliability of electromechanical actuators.</a> 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 174-182 (2010).</li><li>Arriola, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model-based+method+to+assist+the+architecture+selection+and+preliminary+design+of+flight+control+electro-mechanical+actuators.">A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators.</a> 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 166-174 (2016).</li><li>Baer, K., Ericson, L., Krus, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Framework+for+simulation-based+simultaneous+system+optimization+for+a+series+hydraulic+hybrid+vehicle.">Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle.</a> International Journal of Fluid Power. , (2018).</li><li>Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-objective+optimal+design+of+electro-hydrostatic+actuator+driving+motors+for+low+temperature+rise+and+high+power+weight+ratio.">Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio.</a> Energies. 11 (5), 1173 (2018).</li><li>Sun, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiobjective+and+multiphysics+design+optimization+of+a+switched+reluctance+motor+for+electric+vehicle+applications.">Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications.</a> IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).</li><li>Gerada, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Holistic+electrical+machine+optimization+for+system+integration.">Holistic electrical machine optimization for system integration.</a> IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).</li><li>Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidomain+optimization+of+high-power-density+PM+electrical+machines+for+system+architecture+selection.">Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).</li><li>Han, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidisciplinary+model+for+preliminary+design+of+electro-mechanical+servo+pump.">Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump.</a> Scandinavian International Conference on Fluid Power. , 362-374 (2019).</li><li>Liscou&#235;t, J., Budinger, M., Mar&#233;, J. C., Orieux, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+approach+for+the+simulation-based+preliminary+design+of+power+transmissions.">Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions.</a> Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).</li><li>Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling-laws+based+hydraulic+pumps+parameter+estimation.">Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation.</a> UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).</li><li>Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Mar&#233;, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+models+for+the+preliminary+design+of+electromechanical+actuators.">Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).</li><li>Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applicability+of+pump+models+for+varying+operational+conditions.">Applicability of pump models for varying operational conditions.</a> ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).</li><li>Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , (2011).</li><li>Whitaker, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forced+convection+heat+transfer+correlations+for+flow+in+pipes,+past+flat+plates,+single+cylinders,+single+spheres,+and+for+flow+in+packed+beds+and+tube+bundles.">Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles.</a> AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).</li><li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calculation+method+for+thermal-hydraulic+system+simulation.">Calculation method for thermal-hydraulic system simulation.</a> Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).</li><li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal-hydraulic+modeling+and+simulation+of+piston+pump.">Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).</li><li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems.">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).</li><li>Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitigation+of+fatigue+damage+and+vibration+severity+of+electric+drivetrains+by+systematic+selection+of+motion+profiles.">Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles.</a> IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).</li><li>Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+system+design+for+a+novel+aerospace+electrically+actuator.">Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator.</a> Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , 612-620 (2022).</li><li>De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reusable+surrogate+models+for+the+preliminary+design+of+aircraft+application+systems.">Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems.</a> AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).</li><li>Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+performance+evaluation+for+electro-mechanical+actuators+considering+parameter+uncertainties.">Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties.</a> 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, 136-142 (2014).</li><li>Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dimensional+analysis+and+surrogate+models+for+the+thermal+modeling+of+multiphysics+systems.">Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems.</a> Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).</li></ol>

Das Konzept und andere technische Komponenten des EVDP wurden in früheren Publikationen 6,31 vorgestellt und demonstrieren die Anwendbarkeit und die Vorteile des EVDP. Anstatt das EVDP selbst zu untersuchen, untersuchte dieses Papier weiterhin die Designmethode in Bezug auf zukünftige reale Anwendungsanforderungen. Für diese Art von hochintegriertem und multidisziplinärem Kopplungsprodukt ist eine spezifische Designmethode erforderlich, die heikle Leistungsko...

Elektrohydrostatische Aktuatoren (EHAs) stoßen aufgrund ihrer Kombination der Vorteile von elektrischen Aktuatoren und hydraulischen Aktuatoren zunehmend auf Interesse für Anwendungen wie Industriepressen, große mobile Maschinen, Kranmanipulatoren und primäre Flugzeugsteuerung1. Es können zwei grundlegende Arten von EHAs identifiziert werden: EHAs mit variabler Geschwindigkeit und EHAs mit variabler Verschiebung2. Derzeit ist die EHA mit variabler Geschwindigkeit aufgrund ihrer höheren Effizienz und Einfachheit beliebter als die EHA mit variabler Verschiebung. Neben dem höheren Leistungsniveau der EHA, das in schweren Fahrzeugen wie schweren Trägerraketen3 und U-Booten4 benötigt wird, haben der Antriebsmotor und die zugehörige Elektronik der EHA mit variabler Drehzahl jedoch Probleme im Zusammenhang mit niedriger Dynamik, hoher Wärmeableitung, hohem Preis usw. Daher wird der EHA mit variablem Hubraum für diese Hochleistungsanwendungen (>30 kW) neu überdacht, da seine Steuerung über ein Low-Power-Gerät realisiert wird, das den Pumpenhubraum regelt.
Ein Hauptanliegen, das verhindert, dass EHA mit variabler Verschiebung als Priorität betrachtet wird, ist die umständliche Pumpenverdrängungssteuerung, die selbst ein komplettes ventilgesteuertes Hydrauliksystem ist. Die elektrische Verdrängerpumpe (EVDP) wurde vorgeschlagen, um dieses Problem durch die Verwendung einer kompakten elektrischen Verdrängersteuereinheit zu lösen. Dieses Design verbessert die Kompaktheit, Effizienz usw. der EHA mit variabler Verschiebung, wodurch die vorherige Schwäche bis zu einem gewissen Grad behoben wird. Daher kann die Verwendung von EHAs mit variabler Verschiebung für Hochleistungsanwendungen durch die Verwendung des neu vorgeschlagenen EVDP erleichtert werden. Die Komplexität der EVDP ist jedoch im Vergleich zur herkömmlichen hydraulisch gesteuerten Verdrängerpumpe deutlich größer, da sie Komponenten aus mehreren neuen Disziplinen integriert. Folglich sind spezifische EVDP-basierte Forschungsaktivitäten entstanden. Unsere Forschungsgruppe hat die EVDP-Forschung5 gestartet und weiterentwickelt6. Liu entwickelte das EVDP für EHA-Anwendungen und führte experimentelle Testsdurch 7. Einige Hydraulikunternehmen bieten auch EVDP-Produkte an. Neben der Forschung zu den technischen Komponenten des EVDP ist auch die Designmethode für die Reaktion auf reale Anwendungsanforderungen von Bedeutung, um die Kompetenz des EVDP zu verbessern, indem die Kosten für den Einsatz von EVDPs weiter gesenkt und ihr Leistungspotenzial ausgeschöpft werden. Daher ist eine spezifische EVDP-Vorentwurfsmethode erforderlich, um Kompromisse in der Leistung auf Systemebene durch Analyse der gekoppelten Disziplinen zu optimieren. Der simulationsbasierte Vorentwurf ist für diese Art der multidisziplinären Kopplung mechatronischer Produkte von Interesse8.
Obwohl keine spezifischen Simulationsmodelle für das EVDP-Vordesign vorgeschlagen wurden, da es sich um ein neu vorgeschlagenes Konzept handelt, wurde viel Forschung in verwandte mechatronische Produkte investiert. Ein dynamisches EHA-Modell wurde entwickelt, um das Gewicht, die Effizienz und die Steuerleistung im Vorentwurf9 zu optimieren, aber die Lebensdauer, Zuverlässigkeit, thermischen Eigenschaften usw. waren nicht beteiligt, was wesentliche Leistungsindizes sind, die im Vorentwurf berücksichtigt werden sollten. Ein weiteres dynamisches EHA-Modell wurde ebenfalls verwendet, um Kosten, Effizienz und Steuerungsleistung zu optimieren10, und anschließend wurde ein thermisches Modell entwickelt, um die thermischen Eigenschaften des optimierten EHA11 zu bewerten, aber die Zuverlässigkeit und Lebensdauer wurden nicht berücksichtigt. Ein umfassendes elektromechanisches Aktuatorverfahren (EMA) wurde vorgestellt12. Für diese Methode wurden spezifische Modelle mit unterschiedlichen Funktionen vorgeschlagen, die in der Lage sind, verschiedene Merkmale zu analysieren, und Zuverlässigkeits- und Lebensdauermodelle wurden ebenfalls entwickelt13. Die mechanische Festigkeit, Leistungsfähigkeit, thermische Leistung usw. konnten hiermit bewertet werden, aber die Regelleistung war nicht beteiligt. Eine weitere EMA-Vorentwurfsmethode verwendete ein dynamisches EMA-Modell und zugehörige Komponentengrößenmodelle14. Die Kosten, das Gewicht, die Ermüdungslebensdauer, die Leistungskapazität, die physikalischen Einschränkungen usw. waren an der Simulationsanalyse beteiligt, aber Zuverlässigkeit und Regelleistung wurden nicht berücksichtigt. Für die Optimierungsauslegung eines hydraulischen Hybridantriebsstrangs15 wurde ein dynamisches Modell vorgeschlagen. Die Leistungskapazität, der Wirkungsgrad, die Steuerung usw. konnten simuliert werden, aber die Zuverlässigkeit und Lebensdauer wurden nicht berücksichtigt. Es wurden Modelle zur Analyse eines EHA-basierten Flugsteuerungsbetätigungssystems vorgeschlagen, in dem einfache Kraftübertragungsgleichungen und Gewichtsfunktionen verwendet wurden16. In Anbetracht der Tatsache, dass die Modelle für Analysen auf Fahrzeug- und Missionsebene verwendet wurden, war die begrenzte Attributabdeckung der Modelle angemessen. Als Hauptbestandteil der EHA haben Servomotoren in Bezug auf Modellierung und Design separate Aufmerksamkeit erregt, und die Ergebnisse sind auch für die EHA-Modellentwicklung aufschlussreich. Thermische Netzwerke, Gewichtsmodelle usw. können auch für die EHA-Modellierung17,18,19 in Betracht gezogen werden. Aus der begutachteten Literatur geht hervor, dass die entwickelten Modelle selbst unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Produkten im Zusammenhang mit dem EVDP nicht alle einflussreichen Leistungsmerkmale der Produkte für das Vorentwurf analysieren. Die Steuerungsleistung, die thermische Leistung, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer sind die Attribute, die bei der Konstruktion der Modelle am meisten vernachlässigt wurden. Daher wird in diesem Dokument ein Modellpaket vorgeschlagen, das in der Lage ist, alle einflussreichsten Leistungsmerkmale für das EVDP-Vorentwurf zu analysieren. Die Simulationsanalyse wird ebenfalls vorgestellt, um die Modellfunktionen besser zu veranschaulichen. Dieses Papier ist eine Erweiterung einer früheren Veröffentlichung20, da es die Parametergenerierung verbessert, das Lebensdauermodell, das Zuverlässigkeitsmodell und das Steuerungsmodell umfasst, die Berechnungskosten optimiert, das Modell validiert und eine eingehende Simulationsanalyse durchführt usw.
Das konventionelle hydraulische Steuergerät einer verstellbaren Kolbenpumpe wird durch einen elektrischen Stellantrieb ersetzt, um die Kompaktheit zu verbessern und die Wärmeableitung zu reduzieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der elektrische Aktuator besteht aus einem Kugelgewindetrieb, einem Getriebe und einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Der elektrische Stellantrieb verbindet die Taumelscheibe über eine Stange, um den Pumpenhub zu regeln. Bei Anwendung in EHAs wird die EVDP-Taumelscheibenrotationsposition durch Modulation des PMSM geschlossen. Der elektrische Aktuator ist in einem gegenseitigen Fall mit der Kolbenpumpe integriert, um eine integrale Komponente zu bilden. Diese Konstruktion taucht den elektrischen Aktuator in die Arbeitsflüssigkeit ein und verstärkt hierdurch die Multi-Domain-Kopplungseffekte.
Da es sich bei dem EVDP um ein typisches mechatronisches Multi-Domain-Produkt handelt, spielt sein vorläufiges Design eine wesentliche Rolle bei der Optimierung von Kompromissen bei der Leistung auf Systemebene und bei der Darstellung der Anforderungen an das Komponentendesign. Der Prozess ist in Abbildung 2 basierend auf dem simulationsbasierten Entwurfsschema 10,12 dargestellt. Schritt 1 analysiert zunächst die ausgewählte EVDP-Architektur, wie in Abbildung 1, und schließt die Designparameter basierend auf den spezifizierten Leistungsanforderungen ab. Dann wird die Designaufgabe normalerweise in ein Optimierungsproblem umgewandelt, um die Leistungsoptimierung des EVDP zu untersuchen. Dies geschieht, indem die Konstruktionsparameter in Optimierungsvariablen umgewandelt und die Leistungsanforderungen in Ziele und Einschränkungen umgewandelt werden. Es ist erwähnenswert, dass die Designparameter in aktive, getriebene und empirische Kategorien eingeteilt werden müssen. Nur die aktiven Parameter werden aufgrund ihrer Unabhängigkeitsmerkmale als Optimierungsvariablen verwendet. Die beiden anderen Kategorien werden automatisch durch Schätzung aus den aktiven Parametern generiert. Daher entwickelt Schritt 2 die Schätzmodelle der getriebenen und empirischen Parameter. Diese Schätzwerkzeuge werden in jeder Iteration der Optimierung sowie in Schritt 5 zur Formulierung aller erforderlichen Simulationsparameter verwendet. In Schritt 3 werden die Berechnungsmodelle für jedes Optimierungsziel oder jede Einschränkung erstellt, die die erforderliche Leistung widerspiegeln. Diese Modelle sollten recheneffizient sein; Andernfalls wären die Kosten für die Optimierungsberechnung inakzeptabel. Schritt 4 führt die Optimierungsberechnung durch, die in der Regel multiobjektiv und multidisziplinär ist. Es befasst sich auch mit den Parameterunsicherheiten in der Vorentwurfsphase. Schritt 5 erstellt ein Gesamtmodell des entworfenen EVDP und verwendet es zur Validierung der Optimierungsergebnisse, indem das EVDP unter typischen Tastverhältnissen simuliert wird. Dieses Modell ist das ultimative Werkzeug zur Bewertung der vorläufigen Entwurfsergebnisse. Daher sollte dieses Modell die höchste Wiedergabetreue aufweisen und alle einflussreichen Eigenschaften in einem engen Kupplungsstil enthalten. Schließlich werden die vorläufigen Ergebnisse der Entwurfsleistung und die Dimensionierungsergebnisse auf Systemebene erhalten.
Dieses Papier konzentriert sich auf die Systemmodellierungs- und Simulationsmethode des EVDP, bei der die Parameteranalyse in Schritt 1 durchgeführt und die Schritte 2 und 5 abgeschlossen werden. Erstens werden die Designparameter basierend auf der EVDP-Architektur und den Designanforderungen abgeleitet und in drei Unterkategorien eingeteilt. Zweitens werden die Schätzmodelle für die nicht-aktiven Parameter auf Basis von Skalierungsgesetzen, Komponentenkatalogen, empirischen Funktionen etc. entwickelt. Drittens wird das Gesamtmodell des EVDP unter Verwendung multidisziplinärer Kopplungsgleichungen und zusätzlicher Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsuntermodelle erstellt, und das Modell wird teilweise durch Experimente verifiziert. Schließlich werden die vorherigen Dimensionierungsergebnisse in das konstruierte Modell importiert, um Simulationsanalysen unter typischen Arbeitszyklen durchzuführen. Die Leistung auf Systemebene wird basierend auf den Simulationsergebnissen abgeleitet. Die Parametersensitivität und die Robustheit des Designs werden ebenfalls bewertet. Als Ergebnis wird in diesem Beitrag eine spezifische Modellierungs- und Simulationsmethode für den EVDP-Vorentwurf entwickelt. Die Leistung des EVDP für den Einsatz in der EHA wird umfassend vorhergesagt. Die vorgeschlagene Methode ist ein praktisches Werkzeug für die Entwicklung von EVDPs und EHAs mit variabler Verschiebung für Hochleistungsanwendungen. Die Methode kann auch für die Entwicklung von Simulationswerkzeugen für andere Arten von mechatronischen Produkten herangezogen werden. Die EVDP in diesem Artikel bezieht sich auf die elektromechanisch gesteuerte Verdrängerpumpe, aber die elektrohydraulisch gesteuerte Verdrängerpumpe liegt außerhalb des Rahmens dieses Papiers.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ball screw</td>
			<td>NSK</td>
			<td>PSS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVDP prototype</td>
			<td>Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls</td>
			<td>customized</td>
			<td>7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVDP testrig</td>
			<td>Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls</td>
			<td>customized</td>
			<td>Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gearhead</td>
			<td>Maxon</td>
			<td>GP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2020a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permannet magnet synchronous motor</td>
			<td>Maxon</td>
			<td>393023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piston pump</td>
			<td>Bosch Rexroth</td>
			<td>A10VZO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Simcenter Amesim</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>2021.1</td>
			<td>system simulation platform</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a modeling and simulation method for preliminary design of an electro-variable displacement pump

Elektrohydrostatische Aktuatoren (EHAs) wurden in der akademischen Welt erheblich erforscht, und ihre Anwendungen in verschiedenen industriellen Bereichen nehmen zu. Der EHA mit variabler Drehzahl hat nun Vorrang vor dem EHA mit variablem Hubraum gewonnen, aber sein Antriebsmotor und die zugehörige Elektronik stoßen bei der Anwendung in Hochleistungsanwendungen auf Probleme: geringe Dynamik, hohe Wärmeableitung, hoher Preis usw. Daher wurde eine EHA mit variablem Verdränger in Betracht gezogen, die mit einer elektrovariablen Verdrängerpumpe (EVDP) ausgestattet ist. Das EVDP selbst ist ein mechatronisches System, das eine Kolbenpumpe, einen Kugelgewindetrieb, ein Getriebe und einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) integriert. Folglich muss das EVDP untersucht werden, um seine Leistung auf Systemebene sicherzustellen, wenn es in einem EHA angewendet wird. Zusätzlich zu den bisherigen Forschungen zu den technischen Parametern des EVDP ist eine spezielle Designmethode erforderlich, um die Kosten für die Verwendung des EVDP weiter zu senken und sein Leistungspotenzial zu erkunden. Hier wird eine simulationsbasierte EVDP-Vorentwurfsmethode für die Auslegung eines 37-kW-EVDP ausgewählt. Erstens wird ein zuvor vorgeschlagenes multidisziplinäres Modell des EVDP durch die Verbesserung der Parametergenerierung erweitert, einschließlich der EVDP-Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Steuerungsmodelle usw. Zweitens wird das vorgeschlagene Modell teilweise anhand eines verkleinerten Prototyps verifiziert. Drittens wird das EVDP auf Systemebene simuliert, unterstützt durch das vorgeschlagene Modell. Die EVDP-Leistung wird gemäß den spezifizierten Designanforderungen bewertet. Die Temperatur, Bandbreite und Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer usw. werden alle für das EVDP vorhergesagt. Die Simulationsergebnisse belegen die Anwendbarkeit des EVDP im EHA mit variabler Verschiebung. Die vorgeschlagene Modellierungs- und Simulationsmethode kann verwendet werden, um verschiedene EVDP-Leistungen zu bewerten und auf allgemeine Designanforderungen zu reagieren. Die Methode kann auch die Lösung der vorläufigen Designherausforderungen in Bezug auf begrenzte Informationen und Robustheit unterstützen. Daher eignet sich die vorgeschlagene Methode für die Realisierung der simulationsbasierten EVDP-Vorentwurfsmethode.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse dargestellt, die bei der Durchführung aller Protokollschritte erzielt wurden, die Teil von Schritt 1, des gesamten Schritts 2 und des gesamten Schritts 5 der EVDP-Vorentwurfsmethode in Abbildung 2 sind. Zu den Eingabeinformationen im Protokoll gehören die EVDP-Schaltpläne in Abbildung 1, die optimierten aktiven Parameter (erläutert in Schritt 5.1.1.) des EVDP aus Schritt 4 von Abbildung 2</strong...

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A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

Ein Simulationsmodell, das speziell das Vordesign einer elektrischen Verdrängerpumpe (EVDP) unterstützt, wird entwickelt und teilweise durch Experimente verifiziert. Die Steuerungsleistung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit usw. können alle mit dem vorgeschlagenen Modell bewertet werden, das die wichtigsten Leistungsanforderungen im Rahmen der EVDP-Vorentwurfsaufgabe abdeckt.

Ein Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Vorkonstruktion einer elektrischen Verdrängerpumpe

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

Elektrohydrostatische Aktivatoren unterstützen die Elektrifizierung von Schwerlastsystemen. Um einen geringeren Energieverbrauch zu erreichen, konzentriert sich unsere Methode auf die Optimierung, die Nutzung der elektrischen Verdrängerpumpe der Systeme. Unsere Modellierung und die Simulationsmethode unterstützen den Vorentwurf.Unsere elektrische Verdrängerpumpe, die eine vollständige Leistungsprognose, automatische Parametergenerierung und Designrobustheit wählen sollte. Beginnen Sie mit der Klassifizierung der Parameter für die Auslegung der elektrischen Verdrängerpumpe oder EVDP. Weisen Sie die unabhängigen Parameter, die jede Komponente der aktiven Kategorie darstellen, und die von den aktiven Parametern abgeleiteten Parameter der gesteuerten Kategorie zu.Bezeichnen Sie dann die berechneten Parameter mithilfe empirischer Funktionen für die empirische Kategorie. Um die Schätzmodelle zu entwickeln, schätzen Sie die pumpen- und motorbetriebenen Parameter aus den aktiven Parametern unter Verwendung der Skalierungsgesetze. Verwenden Sie die Komponentenkataloge, um die angetriebenen Parameter für das Getriebe und den Kugelgewindetrieb aus den aktiven Parametern abzuschätzen.Bewerten Sie die Pumpen-, Getriebe- und Kugelgewindetriebswirkungsgrade anhand empirischer Funktionen und schätzen Sie die thermischen Widerstände für das thermische Netzwerkmodell, das mit den empirischen Funktionen aus der Thermodynamiktheorie entwickelt wurde. Erstellen Sie das Gewichtsmodell des EVDP in MATLAB, indem Sie die Gewichte jeder Komponente addieren und dann die dynamische Modellierung der EVDP in der Systemsimulationsplattform durchführen. Als nächstes führen Sie eine thermische Modellierung des EVDP in der Systemsimulationsplattform durch, indem Sie ein thermisches Netzwerk für das EVDP festlegen.Verwenden Sie für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Modellierung die Ermüdungslebensdauer der Kugel und die Verschleißlebensdauer der Kolbenpumpeneinheit als Lebensdauer. Modellieren Sie die Lebensdauer der Kugelgewindewindel- und Kolbenpumpeneinheit mit den Gleichungen. Nehmen wir an, dass die Zuverlässigkeit des Kugelgewindetriebs und der Pumpe, die ihrer Lebensdauer entspricht, 0,90 beträgt, und definieren Sie die Zuverlässigkeit, wie sie bei der 50.000sten Arbeitsstunde berechnet wird.Modellieren Sie dann die Zuverlässigkeit des Kugelgewindetriebs und der Kolbenpumpeneinheit mit der Gleichung. Fahren Sie mit dem Zusammensetzen des Modells fort, indem Sie alle Gleichungen jedes Knotens zusammenfügen, um den Modellblock für jeden Knoten zu bilden. Schließen Sie dann die Eingabe- und Ausgabevariablen jedes Knotens ab.Definieren Sie die Ein- und Ausgänge des gesamten EVDP-Modells und führen Sie die Kausalitätsanalyse aller Knoten durch. Fügen Sie bei Bedarf zusätzliche Knoten hinzu, um sicherzustellen, dass alle Knoten kausal miteinander verbunden sind. Verbinden Sie dann alle Knoten, um das Gesamtmodell des EVDP zu bilden.Sobald das EVDP-Modell erstellt wurde, überprüfen Sie die Modellierungsmethode mit dem EVDP-Prototyp und dem Prüfstand. Installieren Sie dazu das EVDP auf einem Prüfstand, bestehend aus einem Ladeteil und einem Steuerteil. Verbinden Sie dann die drei EVDP-Ports mit dem Hydraulikkreislauf des Ladeteils und die EVDP-Elektrokabel mit dem Steuerteil.Führen Sie die Prototypenprüfung durch, indem Sie den Startknopf am Panel drücken und die Hilfshydraulikleistung starten. Nachdem Sie das Mode-Ventil mit der Taste auf dem Panel deaktiviert haben, stellen Sie den Befehl zur fegenden Frequenzverschiebung im Textfeld der Benutzeroberfläche auf EVDP ein. Zeichnen Sie die EVDP-Verschiebungsantwort auf und leiten Sie ihre Magnituden- und Phaseneigenschaften ab.Um die experimentellen Ergebnisse zu analysieren, legen Sie die aktiven Parameter des EVDP-Prototyps auf das zuvor erstellte Modell fest. Das Modell generiert automatisch andere erforderliche Simulationsparameter. Stellen Sie die Umgebungstemperatur und die anfängliche EVDP-Temperatur auf 40 Grad Celsius ein und führen Sie das Simulationsmodell unter den gleichen Bedingungen wie den EVDP-Prototyptest aus, um die Simulationsergebnisse aufzuzeichnen.Um die Modellgenauigkeit zu überprüfen, zeichnen Sie die Versuchs- und Simulationsergebnisse jeder Bedingungsgruppe in einer Abbildung auf. Um die Simulationsanalyse des EVDP-Designs durchzuführen, legen Sie die dynamischen und thermischen Modelle fest, indem Sie auf die Registerkarte Parametermodus klicken und die Option TFFD31 auswählen. Gehen Sie dann zum Dateinamen für einfache Fluid-Merkmalsdaten-Registerkarte, um die Öl-Eigenschaftsdatei zu importieren.Verwenden Sie im Parametermodus die Blöcke THGCV01 oder THGCV02. Um die Umgebungstemperatur wie im Manuskript beschrieben einzustellen, geben Sie die aktiven Parameter in die Parameterschätzungsmodelle ein. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Ausführen unter der Registerkarte Editor, um das Skript zum Generieren aller Simulationsparameter auszuführen.Verwenden Sie in MATLAB die Schaltfläche Ausführen unter der Registerkarte Editor, um das Skript zur Berechnung des Gewichts und zur Aktivierung der dynamischen und thermischen Modelle mit den Simulationsparametern auszuführen. Die Simulationsergebnisse werden vom Skript automatisch erhalten. Führen Sie mit der Schaltfläche Ausführen auf der Registerkarte Editor das Skript zur Berechnung der EVDP-Lebensdauer und Zuverlässigkeitsleistung aus den gespeicherten Simulationsergebnissen aus.Wechseln Sie in den Simulationsmodus der Systemsimulationsplattform, um die Ergebnisse zu überprüfen. Leiten Sie dann andere EVDP-Leistungsergebnisse aus diesen Zeitbereichssimulationsergebnissen ab. Um die Simulationsparameter festzulegen, überprüfen Sie den Parametermodus.Verwenden Sie dann die Schaltfläche Ausführen unter der Registerkarte Editor, um das Skript zum Aktivieren der dynamischen und thermischen Modelle auszuführen. Drücken Sie später auf die Registerkarte Simulationsmodus, um die Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen zu überprüfen. Hier wird die Temperaturdynamik verschiedener EDVP-Teile dargestellt.Die repräsentative Analyse veranschaulicht den EVDP-Wirkungsgrad unter vollem Arbeitszyklus. Unter Volllastbedingungen erreichte der EVDP einen Gesamtwirkungsgrad von rund 80%Später sanken die absoluten Verluste des EVDP mit der Effizienzabnahme. Der geschwungene Frequenzgang untersuchte die dynamische Leistung von EVDP.Bei der prognostizierten Leistung des EVDP wurde eine gute Regelgenauigkeit mit einem Fehler von 0,09 Grad vorhergesagt, während die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Pumpe als die schwächste galt. Nach dem Bau der vorgeschlagenen Modelle kann die vollständige Vorentwurfsmethode entwickelt werden. Das Verfahren kann die Anwendbarkeit der elektrischen Verstellpumpe und der zugehörigen elektrohydrostatischen Aktivatoren verbessern.Diese Methode löste häufige Herausforderungen der Entwurfsphase, wie z. B. Parametersicherheit und multidisziplinäre Simulationen. Dies führt zu einer zuverlässigeren, vorläufigen Auslegung der Pumpe für elektrohydrostatische Aktivatoren.

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