Logo ro.build-repair.com
Dezvoltare 2023

O Mai Bună Servodirecție Prin Prototipare Virtuală

Cuprins:

O Mai Bună Servodirecție Prin Prototipare Virtuală
O Mai Bună Servodirecție Prin Prototipare Virtuală

Video: O Mai Bună Servodirecție Prin Prototipare Virtuală

Video: O Mai Bună Servodirecție Prin Prototipare Virtuală
Video: Reparatie pompa Servo model TRW 2023, Martie
Anonim

Oricine a condus vreodată un vehicul fără servodirecție își poate aminti cu siguranță cât de dificil a fost să întoarcă volanul pentru a efectua mișcarea direcției. Din fericire, acele vremuri sunt în urma noastră. Sistemele de servodirecție - care fac ca direcția să devină un vehicul semnificativ mai confortabil cu sprijinul angrenajului de direcție - au suferit multe îmbunătățiri de-a lungul anilor și sunt în continuă dezvoltare.

Servodirectie electrohidraulica ca metoda de directie eficienta in materie de combustibil

Versiunile hidraulice și electrice ale sistemelor de servodirecție au fost utilizate pe scară largă până în anii ’90. Cu toate acestea, aceștia au fost doar predecesorii metodei de direcție disponibile, mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil, așa-numita direcție electrohidraulică (servodirecția electrohidraulică, pe scurt: EHPS). Un EHPS se bazează pe o configurație hidraulică convențională, dar folosește un motor electric în locul puterii motorului vehiculului pentru a conduce pompa hidraulică. Deoarece puterea motorului electric este adaptată la unghiul de direcție și viteza vehiculului, se pierd o putere semnificativ mai mică.

Reprezentarea schematică a unui sistem de servodirecție electrohidraulică (EHPS)
Reprezentarea schematică a unui sistem de servodirecție electrohidraulică (EHPS)

Cu această metodă, pompa livrează un lichid dintr-un rezervor către angrenajele de direcție, care apoi generează un cuplu suplimentar pentru a roti roțile imediat ce șoferul operează volanul. Sistemul include, de asemenea, o unitate de control electronic (ECU), senzori de cuplu, valve pentru controlul presiunii fluidului și un sistem de linie.

Complicațiile unui EHPS

Proiectarea unui sistem cu atât de multe componente interdependente nu este o sarcină ușoară, deoarece reacția unei componente depinde foarte des de alta. Aparent mici modificări pot avea un impact uriaș asupra îndeplinirii cu succes a funcțiilor, eficienței și fiabilității sistemului. "Un instrument care accelerează proiectarea detaliată în procesul de dezvoltare este simularea multiphysical", a declarat Feng Qi, inginer mecanic principal la FZB Technology din Plymouth, MI.

FZB oferă servicii de dezvoltare și cercetare pentru industria auto, inclusiv dezvoltarea de motoare, senzori, sisteme radio cheie RFID și EHPS. Pentru modelarea și proiectarea componentelor EHPS-ului lor, inginerii de la FZB folosesc adesea instrumente CAD și software-ul Comsol Multiphysics. Acest lucru îi ajută să înțeleagă comportamentul interacțiunii interne a componentelor din sistem și să avanseze designul cât mai mult posibil înainte ca prototipul virtual să se transforme într-un prototip real cu care sunt efectuate teste fizice.

Galerie de picturi

Galerie de poze cu 5 poze

„Simularea ne ajută să înțelegem exact o problemă, astfel încât să putem satisface cerințele industriei auto înainte de crearea unui model fizic”, notează Qi. "Trebuie să înțelegem proprietățile sistemului în câmpurile mecanice, termice, fluide, acustice și electromagnetice."

Analiza multi-fizică a întregului ansamblu complex

Qi continuă să spună că validarea și testele fizice sunt foarte scumpe și, cu o durată de până la șase luni, consumă foarte mult timp - și chiar după testele experimentale, un prototip de succes trebuie optimizat în continuare. „Această procedură durează prea mult pentru ciclul de dezvoltare, așa că folosim simularea pentru a accelera procesul. Vorbim regulat cu inginerii, de ex. La Chrysler, de exemplu, pentru a îmbunătăți designul nostru cu software-ul Comsol înainte de a efectua o validare fizică. Acesta este singurul mod în care putem îndeplini cerințele."

În căutarea unor informații suplimentare despre comportamentul sistemului, echipa Qi de la FZB a modelat componentele cheie ale ultimului design EHPS: unitatea de control (ECU), suportul izolat, motorul cu magnet permanent, rezervorul de fluid și pompa cu angrenaj elicoidal. Fiecare componentă a fost simulată separat și a fost realizată o analiză multi-fizică a întregului ansamblu complex. Componentele diferă în ceea ce privește designul în funcție de modelul vehiculului.

Pentru a determina distribuția temperaturii în diferite componente ale pompei în diferite scenarii de încărcare, s-au efectuat simulări staționare și tranzitorii
Pentru a determina distribuția temperaturii în diferite componente ale pompei în diferite scenarii de încărcare, s-au efectuat simulări staționare și tranzitorii

Analiza proprietăților termice, mecanice, fluide și electromagnetice a ajutat echipa să rezolve mai rapid problemele legate de performanța termică, controlul dinamic al mișcării, livrarea fluidului în pompă și proprietățile NVH (zgomot, vibrații și asprime).

Previzionați distribuția temperaturii în sistemul general pentru diferite scenarii de funcționare

Un factor cheie care influențează performanța sistemului este capacitatea de a opera într-un interval de temperatură sigur. Qi a creat un model care ține cont de transferul de căldură în pompă și de generarea căldurii în fluidul care unge sistemul de direcție. Echipa a folosit temperatura lichidului ca o condiție de graniță variabilă și a fost astfel capabilă să prezică distribuția temperaturii în sistemul general pentru diferite scenarii de operare.

Qi explică că pompa este cea mai stresată când roțile sunt blocate de o bordură în timp ce șoferul încearcă să conducă. Dacă acest lucru se întâmplă în viața reală, bateria vehiculului continuă să furnizeze energie pompei, iar acest lucru generează căldură în ECU și în magnetul motorului, chiar dacă roțile sunt blocate.

Distribuția temperaturii afectează și componentele mecanice

Pe baza condițiilor reale de operare oferite de producătorii de vehicule, echipa a fost capabilă să creeze un model și să simuleze cum se comportă servo-fluidul în acest scenariu. De asemenea, au investigat modul în care componentele ECU, cum ar fi MOSFET-urile și cablajul, vor reacționa la temperaturile care apar din cauza generarii de căldură atunci când roțile sunt blocate. Pentru a face acest lucru, au utilizat o metodă pe mai multe scări și au început să simuleze componente individuale, care au fost ulterior integrate la nivel de sistem. Rezultatele au fost apoi comparate cu datele testelor fizice și coordonate. Prin această analiză, inginerii au putut să modifice condițiile de limitare și proprietățile materialului și să înțeleagă numeroase configurații.

Temperatura ECU și ansamblul rotorului. Modelul prezice proprietățile termice ale sistemului atunci când este instalat în vehicul
Temperatura ECU și ansamblul rotorului. Modelul prezice proprietățile termice ale sistemului atunci când este instalat în vehicul

Distribuția temperaturii influențează, de asemenea, componente mecanice, cum ar fi carcasa, statorul, rotorul și legătura în motor. Expansiunea termică a metalului afectează eficiența motorului, întrucât este necesară mai mult cuplu și viteză pentru a atinge puterea necesară a pompei. Proprietățile fluidelor, cum ar fi vâscozitatea dinamică și densitatea, de asemenea, se schimbă cu temperatura și necesită ajustări ale cutiei de viteze pentru a asigura o funcționare lină și constantă.

„Aceasta este una dintre cele mai dificile situații - vehiculul este staționat și pompa trebuie să facă multă muncă suplimentară”, spune Qi. „Am vrut să rămânem într-un interval de temperatură în care componentele nu vor defecta, așa că am modelat o configurație pentru situații extreme pentru a ne asigura că sistemul poate rezista și funcționa.”

Factorul geometric joacă un rol crucial

Modificările Qi au modificat grosimea peretelui motorului, statorului și pompei datorită expansiunii termice pentru a vedea dacă nivelul de tensiune ar depăși limitele de tensiune ale randamentului oricărei componente (figura 5). Statorul motorului a arătat singurul caz în care expansiunea termică ar duce la defecțiune. Deoarece echipa a reușit să deducă acest lucru din rezultatele simulării Comsol la o etapă timpurie, au adăugat o canelură suplimentară, astfel încât forma să se poată schimba fără a provoca probleme suplimentare.

Nivel de tensiune într-o simulare pentru a analiza potrivirea presei a carcasei și statorului
Nivel de tensiune într-o simulare pentru a analiza potrivirea presei a carcasei și statorului

Acest factor de geometrie a jucat un rol crucial în considerentele privind potrivirea presei și supradimensionarea carcasei și statorului. Deoarece carcasa și statorul au coeficienți diferiți de expansiune termică, excesul și grosimea geometrică a peretelui trebuie să fie selectate cu atenție pentru a asigura că nici o componentă nu reușește în intervalul de temperatură.

Fluid, zgomot și electronică - totul contează

De asemenea, echipa a creat un model electromagnetic pentru a analiza performanța magnetului spiral și a pompei angrenajului elicoidal în diferite momente în timpul procesului de pompare. Acest lucru le-a permis să înțeleagă cât de bine funcționează motorul în timp și să obțină o estimare exactă a pierderilor de căldură din spire și armături. Aceasta a dus la modificări în geometrie, care permit o distribuție mai uniformă a temperaturii pentru componente și piese.

Simularea densității fluxului magnetic și a potențialului vectorului magnetic într-o investigație dependentă de timp a proprietăților motorului EHPS
Simularea densității fluxului magnetic și a potențialului vectorului magnetic într-o investigație dependentă de timp a proprietăților motorului EHPS

Echipa FZB a cuplat simularea electromagnetică cu o analiză CFD pentru a înțelege modul în care este afectată livrarea fluidului și eficiența pompei. Pentru a face acest lucru, inginerii folosesc software-ul Pump Linx, un program care este conceput pentru modelarea pompelor pentru a calcula eficiența fluidului, debitul volumului și fluctuațiile de presiune.

Qi a transferat datele fluide pe modelul său Comsol Multiphysics, a actualizat geometria folosind software-ul Solidworks și apoi a efectuat o simulare acustică pentru a investiga vibrațiile. O simulare suplimentară a dinamicii rotorului l-a ajutat să identifice turațiile critice la care vibrațiile se intensifică enorm și să determine ca cutia de viteze să eșueze și să conducă la zgomote neobișnuite și eficiență scăzută.

Rezultatele comsolului indicând deplasarea angrenajelor elicoidale la o viteză de 1000 / min și o frecvență naturală de 2718,2 Hz. Simularea a fost efectuată după importul datelor dintr-o analiză a fluxului în software-ul Pump Linx
Rezultatele comsolului indicând deplasarea angrenajelor elicoidale la o viteză de 1000 / min și o frecvență naturală de 2718,2 Hz. Simularea a fost efectuată după importul datelor dintr-o analiză a fluxului în software-ul Pump Linx

„Nu numai că a trebuit să înțelegem cât de tare ar fi sistemul, dar a trebuit să știm cum sunt afectate proprietățile electromagnetice și fluidului”, spune Qi. "Totul este conectat. Am modelat o fluctuație a presiunii în lichid și apoi am analizat în COMSOL modul în care se schimbă zgomotul transmis prin aer. Rezultatele ne-au permis să optimizăm rulmenții, arborele și forma angrenajelor elicoidale și a canelurii de presiune din bucșa de rulment a pompei."

Ștergeți calea pentru o direcție îmbunătățită electrohidraulică

În general, datorită rezultatelor obținute cu Comsol, echipa FZB a reușit să realizeze îmbunătățiri enorme în proiectarea geometriei pompei. Folosind simulările ca bază, inginerii au creat un raport privind limitele consumului de energie pentru a oferi inginerilor proiectanți o orientare pentru îndeplinirea cerințelor auto. Au investigat modul în care condițiile de graniță influențează consumul de energie și puterea de ieșire a pompei și au verificat rezultatele simulării pentru diferite scenarii de aplicare cu date din experimentul fizic.

„Am ales Comsol pentru că a trebuit să analizăm toate proprietățile fizice cuplate”, rezumă Qi. „Pentru a trece cu succes de la un concept la un produs gata de piață, trebuie să se țină seama de mulți factori, iar cerințele de timp din ciclul de proiectare pot fi foarte ambițioase. Pentru această lucrare în echipă trans-disciplinară aveam nevoie de un adevărat instrument multi-fizic. Cu Comsol, multe domenii ale fizicii pot fi cuplate foarte bine și pot fi luate în considerare diverse condiții de delimitare. Acest lucru ne permite să obținem o imagine exactă a modului în care se va comporta designul nostru EHPS.”(Jup)

Popular după subiect