Ein Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Vorkonstruktion einer elektrischen Verdrängerpumpe

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 Tests^{durch 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-Modellierung^17,18,19 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.

Protocol

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).

1. Zerlegen Sie die Architektur des EVDP in Abbildung 1 in eine Kolbenpumpeneinheit, einen Kugelgewindetrieb, ein Getriebe, ein PMSM und eine Steuerung. Überprüfen Sie die Leistungsanforderungen des EVDP.
   HINWEIS: Insbesondere in diesem Dokument umfassten die Anforderungen Leistungskapazität, Regelleistung, thermische Leistung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Effizienz und Gewicht.
2. Fassen Sie die Größenparameter und Spezifikationen der Komponenten des EVDP zusammen. Analysieren Sie die Parameter und Spezifikationen und wählen Sie diejenigen aus, die sich auf die angegebenen EVDP-Leistungsanforderungen beziehen.
   HINWEIS: Die ausgewählten Komponentenparameter und Spezifikationen sind die Konstruktionsparameter im EVDP-Vorentwurf, wie in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 enthält auch die Ergebnisse der Parameterklassifizierung, die durch Schritt 1.3 erhalten wurden.
3. Klassifizieren Sie die Entwurfsparameter in aktive, getriebene und empirische Kategorien²¹, wie in Tabelle 1²⁰ aufgeführt.
   1. Weisen Sie der aktiven Kategorie die unabhängigen Parameter oder Spezifikationen zu, die für jede Komponente am repräsentativsten sind.
   2. Ordnen Sie der gesteuerten Kategorie die Parameter zu, die aus den aktiven Parametern abgeleitet werden können.
   3. Ordnen Sie die anderen Parameter, die mit empirischen Funktionen berechnet werden, der empirischen Kategorie zu.
      HINWEIS: Die thermischen Widerstände sind die Gruppe von Parametern für die thermische Netzwerkmodellierung. Jedem Wärmepfad ist ein thermischer Widerstand zugeordnet. Die Menge und die Werte der thermischen Parameter werden schließlich von der thermischen Netzwerkarchitektur festgelegt.

2. Entwicklung der Schätzmodelle der getriebenen und empirischen Parameter (Schritt 2 in Abbildung 2).

HINWEIS: Führen Sie die Schätzmodelle der getriebenen und empirischen Parameter mit Matlab basierend auf den folgenden Methoden durch. Für jeden gesteuerten oder empirischen Parameter wird ein eigenes Skript erstellt.

1. Schätzen Sie die pumpen- und motorbetriebenen Parameter aus den aktiven Parametern unter Verwendung der Skalierungsgesetze^22,23.
   HINWEIS: Die pumpen- und motorgetriebenen Parameter sind meist geometrie- oder gewichtsbezogen, was in der Regel die Anforderung von Material- und Geometrieähnlichkeiten für die Verwendung von Skalierungsgesetzen erfüllt.
   1. Definieren Sie das Skalierungsverhältnis eines beliebigen Komponentenparameters x wie folgt:
      (1)
      wobei x der betreffende Parameter und x_ref der entsprechende Parameter einer Referenzkomponente ist. Verknüpfen Sie die aktiven und gesteuerten Parameter mit der charakteristischen Bemaßung des Bauteils wie folgt:
      (2)
      wobei Y* das Skalierungsverhältnis eines aktiven oder angetriebenen Parameters, L* das Skalierungsverhältnis der charakteristischen Dimension der Komponente und α der Koeffizient des Skalierungsverhältnisses ist.
   2. Verknüpfen Sie jeden getriebenen Parameter der Komponente mit dem aktiven Parameter, indem Sie die entsprechende Gleichung (2) des spezifischen gesteuerten Parameters und der aktiven Parameter kombinieren.
      HINWEIS: Einige beispielhafte Ergebnisse sind^22,23:
      (3)
      wobei die Symbole der Gleichungen auf Tabelle 1 verweisen. Einzelheiten zur Kolbenpumpe und zum Motor, die in diesem Protokoll verwendet werden, finden Sie in der Materialtabelle .
2. Schätzen Sie die angetriebenen Parameter für das Getriebe und den Kugelgewindetrieb aus den aktiven Parametern mithilfe von Komponentenkatalogen.
   HINWEIS: Die aktiven Parameter des Getriebes und des Kugelgewindetriebs sind diskrete Werte. Eine kontinuierliche Variation der aktiven Parameter ist aufgrund von Mechanismusbeschränkungen oder hohen Kosten nicht möglich. Daher ist die Verwendung von handelsüblichen Getrieben oder Kugelgewindetrieben vorzuziehen.
   1. Schätzen Sie die angetriebenen Parameter des Getriebes, indem Sie die Parameter aus dem Getriebedatenblatt extrahieren, die am besten mit dem definierten Übersetzungsverhältnis und dem definierten Nenndrehmoment übereinstimmen. Insbesondere in diesem Artikel wurde das Getriebe (Table of Materials) zum Erstellen der Getriebebibliothek in der Matlab-Software verwendet. Verwenden Sie das Nenndrehmoment vor dem definierten Verhältnis für die Anpassung des Getriebes basierend auf der Portfolio-Organisationsmethode des spezifizierten Getriebes (Werkstofftabelle).
   2. Schätzen Sie die angetriebenen Parameter für den Kugelgewindetrieb, indem Sie die Parameter aus dem Kugelgewindetriebsdatenblatt extrahieren, die der definierten Leitungs- und Nennlast am besten entsprechen. Insbesondere in diesem Artikel wurde der Kugelgewindetrieb (Table of Materials) für den Aufbau der Kugelgewindetriebsbibliothek in Matlab verwendet. Verwenden Sie die Nennlast vor der definierten Leitung zur Anpassung des Kugelgewindetriebs basierend auf der Portfolioorganisationsmethode des angegebenen Kugelgewindetriebs (Werkstoffverzeichnis).
3. Schätzen Sie die Wirkungsgrade der Pumpe, des Getriebes und des Kugelgewindetriebs anhand empirischer Funktionen.
   HINWEIS: Die Wirkungsgradparameter werden nicht durch die Datenblätter der Pumpe, des Getriebes und des Kugelgewindetriebs angegeben, so dass sie durch eine empirische funktionsbasierte Methode geschätzt werden.
   1. Angenommen, der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe und der mechanische Wirkungsgrad der Pumpe im Nennarbeitspunkt betragen 0,95 bzw. 0,90. Verwenden Sie diese beiden Werte, um die empirischen Funktionen der Leckage und der viskosen Reibung am nominalen Arbeitspunkt anzupassen, wie in Gleichung (4) und Gleichung (5) ²⁴. Leiten Sie dann die Koeffizienten E_pv und E_pm der empirischen Funktionen ab. Nutzen Sie daher die abgeleiteten empirischen Funktionen, um die Effizienzmerkmale unter vollen Arbeitsbedingungen zu simulieren:
      (4)
      (5)
      wobei Δ p die Pumpendruckdifferenz, T_po die Temperatur des Öls in der Pumpe, D p die sofortige Pumpenverdrängung und S p die Pumpendrehzahl ist.
      HINWEIS: Die Wirkungsgraddaten am Nennarbeitspunkt der handelsüblichen Pumpen können vom Hersteller bezogen werden, auch wenn dies in diesem Papier nicht der Fall war. Dann können die Effizienzdaten anstelle der angenommenen Daten verwendet werden, um die Wiedergabetreue zu verbessern. Die abgeleiteten Koeffizienten, die unter dem Nennarbeitspunkt liegen, werden entsprechend den sofortigen Arbeitsbedingungen (d.h. der Verschiebung und der Temperatur) weiter reguliert.
   2. Verwenden Sie die maximalen Wirkungsgraddaten des Getriebes oder des Kugelgewindetriebs, um die viskose Reibungsfunktion unter maximaler Last und maximaler Geschwindigkeit anzupassen, wie in Gleichung (6). Leiten Sie dann den viskosen Reibungskoeffizienten f ab. Modellieren Sie daher den sofortigen Wirkungsgrad des Getriebes oder Kugelgewindetriebs wie in Gleichung (7):
      (6)
      (7)
      wobei E max, S max und F_max die maximale Effizienz, die Höchstgeschwindigkeit und die maximale Kraft des Getriebes bzw. des Kugelgewindetriebs aus dem Datenblatt sind; E, S und F sind die sofortige Effizienz, die sofortige Geschwindigkeit und die sofortige Kraft des Getriebes bzw. des Kugelgewindetriebs während der Simulation. und f ist der viskose Reibungskoeffizient des Getriebes oder des Kugelgewindetriebs.
      HINWEIS: Angenommen, der maximale Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs beträgt 0,90, da keine effizienzbezogenen Daten vorliegen. Aktualisieren Sie die Effizienzfunktion des Kugelgewindetriebs, sobald effizienzbezogene Daten verfügbar sind.
4. Schätzen Sie die thermischen Widerstandsparameter. Schätzen Sie die thermischen Widerstände für das in Schritt 3.3 entwickelte thermische Netzwerkmodell. unter Verwendung der empirischen Funktionen aus der Thermodynamiktheorie. Klassifizieren Sie die thermischen Widerstände in zwei Arten: erzwungene Konvektion und Leitung.
   HINWEIS: Definieren Sie den thermischen Widerstand zwischen der EVDP-Schale und der Umgebung als konstanten Wert. Dies liegt daran, dass die aktuelle Phase die thermischen Eigenschaften innerhalb der Pumpe untersucht, während die detaillierte Wärmeableitungsleistung der Schale im Mittelpunkt des zukünftigen thermischen Designs steht.
   1. Schätzen Sie den Wärmeleitwiderstand zwischen den Festkörperteilen mit Gleichung (8), die auf dem Skalierungsgesetz²³ basiert:
      (8)
      wobei R_sst der thermische Widerstand zwischen zwei festen Teilen und T_mn das Nenndrehmoment des Servomotors ist.
      HINWEIS: Gleichung (8) wird nur zur Abschätzung des Wärmewiderstands der Wärmeleitung der Wicklungsschale verwendet, da sie der einzige Fest-Feststoff-Kontakt im thermischen Netzwerkmodell ist.
   2. Schätzen Sie den thermischen Widerstand der erzwungenen Konvektion zwischen einem festen Teil und einem flüssigen Teil mit Gleichung (9) ^25,26:
      (9)
      wobei R_sft der thermische Widerstand zwischen einem festen Teil und einem flüssigen Teil ist; λ_f ist die Wärmeleitfähigkeit des Fluids; L_a ist die charakteristische Länge des Wärmeaustauschs; C Re und m sind Koeffizienten, die von der Reynoldszahl _Re abhängen; Pr ist die Prandtl-Zahl; und A_t ist die Wärmeaustauschfläche.
      HINWEIS: L_a und andere strukturelle Abmessungen werden auf der Grundlage von Skalierungsgesetzen geschätzt, und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit über den Wärmeaustauschbereich wird sofort aus den Simulationsergebnissen des Pumpenstroms berechnet.

3. Erstellen des Systemsimulationsmodells (Schritt 5 in Abbildung 2).

HINWEIS: Erstellen Sie ein multidisziplinäres Kopplungsmodell des EVDP, das seine volle Leistung untersuchen kann. Die Modellarchitektur ist in Abbildung 3 dargestellt, und das Modell wird in der Co-Simulationsumgebung basierend auf Matlab und der Systemsimulationsplattform durchgeführt. Erstellen Sie zunächst das individuelle zusammengefasste Modell jeder Komponente oder Disziplin. Setzen Sie dann die Komponenten-/Disziplinmodelle gemäß Abbildung 3 ein.

1. Erstellen Sie das Gewichtsmodell des EVDP in Matlab.
   1. Berechnen Sie das Gewicht des EVDP, indem Sie die Gewichte jeder Komponente addieren, die aus den Gewichtsschätzungsmodellen in Schritt 2 erhalten werden.
2. Führen Sie eine dynamische Modellierung der zusammengefassten Parameter des EVDP in der Systemsimulationsplattform durch.
   1. Erstellen Sie das elektromagnetische Bewegungsmodell des Servomotors, das Bewegungsmodell des mechanischen Getriebes, das hydraulische Bewegungsmodell der Kolbenpumpeneinheit und das Lastmomentmodell der Taumelscheibe, wie zuvor beschrieben²⁰.
   2. Modellieren Sie die Systemverluste wie in Gleichung (10):
      (10)
      wobei Q_mCu der Kupferverlust des Servomotors ist; Q_mr ist der Rotorverlust des Servomotors; Q_pv und Q_pm sind der volumetrische Verlust bzw. der mechanische Verlust der Pumpe; Q_g ist der Getriebeverlust; Q s ist der Kugelgewindetriebsverlust; i_m ist der Servomotorstrom; S_m ist die Servomotordrehzahl; Δp ist die Druckdifferenz der Pumpe; T_po ist die Temperatur des Öls in der Pumpe; D_p ist die Pumpenverdrängung; S _p ist die Pumpendrehzahl; f_g ist der viskose Reibungskoeffizient des Getriebes; S s ist die Eingangsdrehzahl des _Getriebes; und T s ist das Drehmoment des Kugelgewindetriebs.
   3. Modellieren Sie die Fluideigenschaften wie in Gleichung (11). Identifizieren Sie die Koeffizienten, indem Sie das Fluiddatenblatt an Gleichung (11) anpassen:
      (11)
      wobei ρ _f und ρ_f0 die Sofort- bzw. Referenzdichte sind; C _p und C_p0 sind die sofortige bzw. referenzspezifische Wärme; μ_f und μ_f0 sind die momentane bzw. die absolute Referenzviskosität; λ _f und λ_f0 sind die sofortige bzw. die Referenzwärmeleitfähigkeit; p i ist der sofortige Druck des _i-ten Flüssigkeitsknotens; T i ist die sofortige Temperatur des _i-ten Flüssigkeitsknotens; p₀ und T0 sind der Bezugsdruck und die Bezugstemperatur der Fluideigenschaften; und a_m,n, b m,n, c m,n und d _m,n sind die Koeffizienten.
   4. Modellieren Sie die Druckdynamik der Fluidvolumina wie in Gleichung (12)^27,28. Modellieren Sie die Blende wie in Gleichung (4):
      (12)
      wobei p der Druck des Flüssigkeitsvolumens ist; B ist der Flüssigkeitsmengenmodul; ρ ist die Flüssigkeitsdichte; V ist das Flüssigkeitsvolumen; und sind der ein- bzw. ausgehende Massendurchsatz des Flüssigkeitsvolumens; α_p ist der volumetrische Ausdehnungskoeffizient des Fluids; und T ist die Temperatur des Flüssigkeitsvolumens.
   5. Modellieren Sie den Regler mit einem PID-Regler mit Dreifachschleife, wie in Abbildung 4⁶ dargestellt. Optimieren Sie die Steuerungsparameter durch mehrere Simulationsversuche, wenn das Simulationsmodell und andere Simulationsparameter bereit sind. Stimmen Sie die Steuerparameter von der inneren Schleife auf die äußere Schleife ab, indem Sie die Verstärkungswerte schrittweise erhöhen.
   6. Fügen Sie ein Drehfeder- und Dämpfermodell zwischen der Antriebsdrehzahlquelle und dem Rotor der Pumpe hinzu. Fügen Sie ein lineares Feder- und Dämpfermodell zwischen der Eingangsgeschwindigkeit und der Lastmasse des Kugelgewindetriebs hinzu.
      HINWEIS: Dieser Schritt ermöglicht die Gleichungskausalität im Modell der Kolbenpumpeneinheit und im Kugelgewindetriebsmodell. Stellen Sie die Federsteifigkeit und die Dämpferbewertung auf konstante Werte ein, die die Auswirkungen dieser beiden Blöcke ignorierbar machen können.
3. Durchführung der thermischen Modellierung des EVDP in der Systemsimulationsplattform.
   1. Legen Sie ein Wärmenetz für den EVDP²⁰ fest. Addieren Sie die thermische Last in Gleichung (10), mit Ausnahme von Q_pv, zu den entsprechenden thermischen Knoten.
   2. Modellieren Sie die thermischen Widerstände für den Fest-Feststoff-Wärmeaustausch und den Fest-Flüssig-Wärmeaustausch mit den Parameterfunktionen in Schritt 2.4. Modellieren Sie den Wärmeaustausch von Fluid-Fluid-Knoten durch Austausch ihrer externen Enthalpie-Durchflussraten (siehe Schritt 3.3.4). ²⁹.
      HINWEIS: Eine Referenzstruktur für den Wärmeaustausch und die Abmessungen des EVDP sind notwendig, um die Parameter in Gleichung (9) basierend auf Skalierungsgesetzen zu erhalten. Die verwendete EVDP-Wärmeaustauschstruktur ist in Abbildung 5 dargestellt.
   3. Modellieren Sie die Temperaturdynamik der festen thermischen Knoten wie in Gleichung (13):
      (13)
      wobei , m und c_p die Wärmedurchflussrate, die Masse und die spezifische Wärme des festen Knotens sind.
   4. Modellieren Sie die Temperaturdynamik der Fluidvolumina wie in Gleichung (14) ^27,28:
      (14)
      wobei p, m, c p und α p der Druck, die Masse, die spezifische Wärme bzw. der volumetrische Ausdehnungskoeffizient des Fluidknotens sind; V und h sind das Volumen bzw. die Enthalpie des Flüssigkeitsknotens; und h_in sind die Massendurchflussrate bzw. die Enthalpie des eingehenden Durchflusses; ist die Wärmewechselrate; und W_s ist die Wellenarbeit des Fluidknotens.
   5. Modellieren Sie die Temperaturdynamik der Blenden wie in Gleichung (15). Dies bestimmt auch die Wärmelasteffekte von Q_pv. Modellieren Sie die Öffnungen als idealen Enthalpie-Transferknoten, der die eingehende Enthalpie direkt auf die ausgehende Enthalpie überträgt.
      (15)
      wobei α p, ρ und c_p der volumetrische Ausdehnungskoeffizient, die Dichte bzw. die spezifische Wärme des Fluids sind.
   6. Modellieren Sie die Enthalpieübertragungen innerhalb der Pumpe wie in Gleichung (16):
      (16)
      wobei dmh _out und dmh_in die ausgehende bzw. eingehende Enthalpieflussrate sind; und D p, Δp und S_p sind der Hubraum, die Druckdifferenz bzw. die Drehzahl der Pumpe.
4. Stellen Sie für die Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsmodellierung den Kugelgewindetrieb und die Kolbenpumpeneinheit als lebensdauer- und zuverlässigkeitskritische Komponenten ein. Verwenden Sie den kleineren Wert der bewerteten Lebensdauer/Zuverlässigkeit dieser beiden Komponenten als EVDP-Lebensdauer-/Zuverlässigkeitsleistung. Führen Sie die Modelle mit den Matlab-Skripten aus.
   1. Verwenden Sie die Ermüdungslebensdauer des Kugelgewindetriebs als Lebensdauer. Verwenden Sie die Verschleißlebensdauer der Kolbenpumpeneinheit als Lebensdauer. Modellieren Sie die Lebensdauer der Kugelgewindetriebs- und Kolbenpumpeneinheit wie in Gleichung (17) und Gleichung (18) ^13,30:
      (17)
      (18)
      wobei F amp i und F_{bedeuten, i} die Lastkraftamplitude und die mittlere Last des Kugelgewindetriebs sind, die aus den Lastsimulationsergebnissen des Kugelgewindetriebs unter Verwendung der Regenstromzählung abgeleitet werden; F_max ist die maximal zulässige Belastungskraft des Kugelgewindetriebs; Δp_Mittelwerti ist der mittlere Lastdruck der Pumpe, der aus den Lastdrucksimulationsergebnissen der Pumpe unter Verwendung der Regenflusszählung abgeleitet wird; S _p ist die Pumpendrehzahl; m ist die Menge der verschiedenen Zyklen, die gezählt werden; n_i ist die Größe des i-ten Zyklus; N i ist die Menge des _i-ten Zyklus, die die Lebensdauer der Komponente überschreiten kann; T_cyc ist die Tastverhältnisdauer, aus der die m Zyklen identifiziert werden; und p, α und β sind die experimentellen Konstanten.
      ANMERKUNG: N _i erhält man, indem die zugehörige Lastspannung , an die lineare logarithmische S-N-Kurve angepasst wird, die unter Verwendung der maximalen Lastdaten und der Nennlastlebensdauerdaten des jeweiligen Bauteils ermittelt wird. Die Log-Log-S-N-Kurve kann verbessert werden, wenn mehr Lebensdauerdaten verfügbar werden.
   2. Angenommen, die Zuverlässigkeit des Kugelgewindetriebs und der Pumpe, die seiner Lebensdauer entspricht, beträgt 0,90. Definieren Sie die^{Zuverlässigkeit, wie} sie bei der 50.000. Arbeitsstunde berechnet wird. Modellieren Sie die Zuverlässigkeit der Kugelgewindetriebs- und Kolbenpumpeneinheit wie in Gleichung (^{19) 13}:
      (19)
      wobei R_ref die Referenzzuverlässigkeit bei der Referenzlebensdauer L h,10 und L_{h,10 die} angegebene Arbeitszeit zur Bewertung der Zuverlässigkeit ist.
5. Stellen Sie das Modell zusammen.
   1. Platzieren Sie alle erforderlichen Gleichungen (eingeführt aus Schritt 3.1-3.4) jedes Knotens in Abbildung 3, um den Modellblock für jeden Knoten zu bilden. Schließen Sie die Eingabe- und Ausgabevariablen jedes Knotens ab.
      HINWEIS: Nehmen Sie den theoretischen Kolbenpumpenknoten als Beispiel; Es umfasst fünf Gleichungen: das Antriebsmoment unter Berücksichtigung der mechanischen Verluste, den Abtriebsfluss ohne Berücksichtigung der Leckage (die Leckage wird separat durch die Blenden modelliert), die Verdrängungsvariation entsprechend der Verdrängungssteuerungsbewegung, den Enthalpietransport und das von der Taumelscheibe erzeugte Lastmoment. Die abgeleiteten Eingänge sind die Fahrgeschwindigkeit, der Druck und die Temperatur an den beiden Anschlüssen sowie der Verdrängung der Taumelscheibe. Die abgeleiteten Ausgänge sind der Wellenwinkel, das Lastmoment der Antriebswelle, der Abtriebsstrom, die Abtriebsenthalpie und das von der Taumelscheibe erzeugte Lastdrehmoment.
   2. 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 verknüpft sind. Verbinden Sie dann alle Knoten, um das Gesamtmodell des EVDP zu bilden, wie in Abbildung 3 dargestellt.
      HINWEIS: Die drei Fluidpfadknoten und zwei inneren Portknoten in Abbildung 3 wurden hinzugefügt, um die Kompatibilität der Gesamtkausalität des Modells sicherzustellen. Sie werden als Blenden modelliert (Gleichung [4]).

4. Teilweise Modellverifizierung (Schritt 5 in Abbildung 2).

HINWEIS: Verwenden Sie einen EVDP-Prototyp und seinen Prüfstand, um die Modellierungsmethode in Schritt 3 zu überprüfen. Schritt 4 (Modellverifizierung) wurde in diesem Artikel durchgeführt, da das EVDP neu entwickelt wurde und die Modelle neu vorgeschlagen wurden. Der in diesem Papier verwendete EVDP-Prototyp wurde im Vergleich zu dem in Schritt 5 simulierten Prototyp verkleinert. Die auf der Grundlage des verkleinerten Prototyps validierten Modelle gelten als anwendbar für die Simulation derselben Art von EVDP in anderen Größen. Für zukünftige Modellierungs- und Simulationsaufgaben während des Vorentwurfs des gleichen EVDP-Typs kann Schritt 4 entfallen.

1. Führen Sie experimentelle Aufbauten durch.
   1. Erstellen Sie einen EVDP-Prototyp gemäß den Schaltplänen in Abbildung 1. Passen Sie die vorhandenen Komponenten an die Unterkomponenten des EVDP an, z. B. die Kolbenpumpeneinheit, das Getriebe, den Kugelgewindetrieb und den Servomotor.
      HINWEIS: Für den Bau des Prototyps in diesem Artikel wurde eine 7-Kolben-Pumpe mit einem Hubraum von 7,4 ml/U verwendet. Die maximale Neigung der Taumelscheibe betrug 18°. Die Nenndrehzahl betrug 7000 U/min und der Nenndruck 21 MPa. Die Kugelgewindetriebleitung betrug 1,59 x ^10-3 m und die Getriebeübersetzung 2,47. Der EVDP-Prototyp ist in Abbildung 6 dargestellt.
   2. Installieren Sie das EVDP auf einem Prüfstand, der aus einem Ladeteil und einem Steuerungsteil³¹ besteht, wie in Abbildung 7 dargestellt. Verbinden Sie die drei EVDP-Ports mit dem Hydraulikkreislauf des Ladeteils. Schließen Sie die EVDP-Elektrokabel an das Steuerteil an.
2. Führen Sie Prototypentests durch.
   1. Starten Sie die Hilfshydraulik (9) durch Drücken der Starttaste am Bedienfeld.
   2. Legen Sie die Verschiebung der EVDP im Textfeld des Befehls Verschiebung mithilfe der Benutzeroberfläche auf 2,5° fest. Aktivieren Sie das Mode-Ventil (10) und stimmen Sie die Lastregelventile (12) über das Panel auf 3,5 MPa Lastdruck ab. Lesen und zeichnen Sie den Ausgabefluss des EVDP aus dem Panel auf.
   3. Stellen Sie die EVDP-Verschiebung auf -18°, -15°, -12°, -10°, -8°, -5°, -2,5°, 2,5°, 5°, 8°, 10°, 12°, 15° bzw. 18° ein. Zeichnen Sie jeden Ausgangsfluss des EVDP unter jeder eingestellten Verschiebung auf, wie in Abbildung 8A dargestellt.
   4. Stellen Sie die EVDP-Verschiebung auf 2,5° ein und passen Sie den Lastdruck auf etwa 3,3 MPa, 5 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 15 MPa, 17 MPa, 18 MPa, 19 MPa, 20 MPa bzw. 21 MPa an. Zeichnen Sie den Ausgangsfluss des EVDP unter jedem Druck auf. Stellen Sie die EVDP-Verschiebung auf 5°, 8° bzw. 18° ein und wiederholen Sie die Druckeinstellung des 2,5°-Wegtests für jede neue Verschiebung. Zeichnen Sie den EVDP-Ausgangsfluss unter jedem Testpunkt auf, wie in Abbildung 8B dargestellt.
   5. Deaktivieren Sie das Mode-Ventil (10), indem Sie die Taste auf dem Panel drücken. Legen Sie den Befehl für die Verschiebung der Schwenkfrequenz (von 0,02 Hz bis 20,5 Hz bei 2,5 ° Amplitude) im Textfeld der Benutzeroberfläche auf die EVDP fest. Zeichnen Sie die EVDP-Verschiebungsantwort auf und leiten Sie ihre Magnituden- und Phaseneigenschaften ab, wie in Abbildung 9A dargestellt.
3. Analysieren Sie die experimentellen Ergebnisse.
   1. Setzen Sie die aktiven Parameter des EVDP-Prototyps auf das gebaute Modell in Schritt 3. Das Modell generiert automatisch andere erforderliche Simulationsparameter. Stellen Sie die Umgebungstemperatur und die anfängliche EVDP-Temperatur auf 40 °C ein. Führen Sie das Simulationsmodell unter den gleichen Bedingungen wie im EVDP-Prototypentest in Schritt 4.2 aus und zeichnen Sie die Simulationsergebnisse auf.
   2. Zeichnen Sie die experimentellen Ergebnisse und Simulationsergebnisse jeder Bedingungsgruppe in derselben Abbildung auf, wie in Abbildung 8 und Abbildung 9 dargestellt.
      HINWEIS: Der maximale Strömungssimulationsfehler (2,2 l/min) trat bei einer Verschiebung von 2,5° auf, was 4,35% des gesamten EVDP-Durchflusses entsprach. Die Simulationsergebnisse der Frequenzcharakteristik erreichten eine gute Konsistenz mit den experimentellen Ergebnissen unter 10 Hz-Befehlen und zeigten höhere Fehler gegenüber 10 Hz-Befehlen. Die Genauigkeit der Simulation war zufriedenstellend.
      HINWEIS: Die höheren Fehler der Frequenzcharakteristik-Simulationsergebnisse über 10 Hz-Befehle in Abbildung 9A ergaben sich aus den Parametergenerierungswerkzeugen des vorgeschlagenen Modellpakets. Die Simulationsergebnisse erreichten eine gute Genauigkeit bei Verwendung realer Prototypparameter, wie in Abbildung 9B dargestellt. Die Tools zur Parametergenerierung führten zu Fehlern, da die zur Schätzung der Parameter verwendeten Referenzkomponenten nicht in der gleichen Reihe lagen wie die Komponenten des Prototyps (für den EVDP-Prototyp wurden eigene Komponenten verwendet). Daher sind die Simulationsfehler kein Problem, wenn sich die ausgewählten Komponenten in derselben Reihe wie die Referenzkomponenten befinden, aber Parameterunsicherheiten werden auch in Schritt 5 diskutiert.

5. Simulationsanalyse (Schritt 5 in Abbildung 2).

HINWEIS: Führen Sie die Simulationsanalyse der EVDP-Entwurfsoption durch, die zuvor durch Ausführen der Schritte 3 und 4 (Optimierungsentwurf) in Abbildung 2 erhalten wurde. Brechen Sie den Simulationsprozess auf, wie in Abbildung 10 dargestellt.

1. Legen Sie aktive Parameter und Simulationseinstellungen fest.
   1. Verwenden Sie einen Satz zuvor erhaltener aktiver Parameter des EVDP für die erste Simulation, bei der die EVDP-Nenndrehzahl 7000 U / min beträgt, der EVDP-Nenndruck 28 MPa beträgt, die maximale EVDP-Verschiebung 12,3 ml / U beträgt, die Nennspannung des Servomotors 28 VDC beträgt, das Nenndrehmoment des Servomotors 0,386 Nm beträgt, das Getriebe weggelassen wird, Die Kugelgewindetriebsnennkraft beträgt 5460 N und die Kugelgewindetriebleitung 0,005 m.
   2. Verwenden Sie GJB1177-1991 15# Luft- und Raumfahrthydraulikflüssigkeit als Arbeitsflüssigkeit in der Simulation. Stellen Sie die Umgebung auf eine kritische Temperatur von 70 °C ein. Der Wärmeaustauschkoeffizient zwischen der EVDP-Schale und der Umgebung liegt konstant bei 20 W/m²/K.
   3. Stellen Sie den Arbeitszyklus²⁰ ein. Fügen Sie einen Flüssigkeitskühlkörper hinzu, um den EVDP-Rückfluss und den Zufuhrstrom zum Einlass des EVDP zu erfassen.
      HINWEIS: Der Kühlkörper emuliert die nachgeschalteten Komponenten in der realen Anwendung. Es enthält 10 L Flüssigkeit mit einer Wärmeaustauschfläche von 5^m2, die einen Wärmeaustauschkoeffizienten von 50 W/m²/K mit der Umgebung beibehält. Die starke Wärmeableitung des Flüssigkeitskühlkörpers wird zur Ableitung der gesamten EVDP-Ausgangsleistung verwendet, da die EVDP-Ausgangsleistung vom Lastregelventil in Wärme umgewandelt wird.
   4. Legen Sie die Entwurfsparameter auf Bereiche fest, die den Entwurfsbereich für die Durchführung der Sensitivitätsanalyse abdecken. Verwenden Sie die Getriebeübersetzung als beispielhaften Parameter in diesem Artikel. Legen Sie den Getriebeübersetzungsbereich auf 1-3,5 fest, um die Auswirkungen der Verwendung kontinuierlicher Variationswerte für die Getriebeübersetzung zu untersuchen.
      HINWEIS: Der Bereich des Getriebeübersetzungsverhältnisses wurde unter Verwendung der letzten Seriennummer als untere Begrenzung und der nächsten Seriennummer als obere Begrenzung festgelegt. Auf diese Weise konnten die Auswirkungen der Verwendung kontinuierlicher Variationswerte der Getriebeübersetzung analysiert werden. Da die Übersetzung 1 (ohne Getriebe) die optimierte Getriebeübersetzung war, existierte die letzte Seriengetriebeübersetzung nicht. Die untere Grenze des Bereichs musste in dieser Studie 1 sein. Das Verhältnis 3,5 musste nicht erneut simuliert werden, da es bereits im vorherigen Optimierungsdesign mit dem Verhältnis 1 verglichen und verworfen wurde. Schließlich wurden die Verhältnisse 2 und 3 für die Sensibilitätsanalyse ausgewählt. Passen Sie die anderen Komponenten an eine vergleichbare EVDP-Hubraumregelungsleistung an, sobald die neue Getriebeübersetzung definiert ist, um einen fairen Vergleich^{zu gewährleisten 32}.
   5. Legen Sie die Konstruktionsparameter auf Bereiche fest, die ihre Toleranzen abdecken, um die Unsicherheitsanalyse durchzuführen. Verwenden Sie die Drehmomentkonstante des Servomotors und das Trägheitsmoment des Servomotors als beispielhafte Parameter in diesem Artikel. Stellen Sie den Bereich der Drehmomentkonstante des Servomotors und das Trägheitsmoment des Servomotors auf 1 - 20% und 1 + 20% ihrer geschätzten Werte ein, um ihre Schätzfehlerauswirkungen auf die EVDP-Frequenzcharakteristik^{zu überprüfen 33}.
2. Führen Sie die Simulation aus.
   1. Legen Sie das dynamische Modell und das thermische Modell fest, die in Schritt 3 (implementiert in der Systemsimulationsplattform) gemäß Schritt 5.1.2 vorgeschlagen wurden. Klicken Sie auf Parametermodus > TFFD3-1 > Dateiname für einfache flüssige Merkmalsdaten, um die Öleigenschaftsdatei zu importieren. Klicken Sie auf Parametermodus > THGCV0-1/THGCV0-2 > Temperatur der Flüssigkeit, um die Umgebungstemperatur auf 70 °C einzustellen. Klicken Sie auf Parameter Mode > THGCV0-1/THGCV0-2 > Convective Heat Exchange Coefficient, um die Umgebungstemperatur auf (20 W/m 2/K) / (50 W/m²/K) einzustellen.
   2. Geben Sie die aktiven Parameter in Schritt 5.1.1 ein. zu den in Schritt 2 vorgeschlagenen Parameterschätzungsmodellen (implementiert mit Matlab). Klicken Sie auf EDITOR > Ausführen, um das Skript zum Generieren aller erforderlichen Simulationsparameter auszuführen (siehe Tabelle 2).
      HINWEIS: Die Steuerungsparameter werden wie in Schritt 3.2.5 dargestellt ermittelt. anstatt automatisch generiert zu werden.
   3. Klicken Sie auf EDITOR > In Matlab ausführen, um das Skript zur Berechnung der Gewichtung und Aktivierung der dynamischen und thermischen Modelle mit den Simulationsparametern auszuführen. Die Simulationsergebnisse werden von diesem Skript automatisch erhalten.
   4. Klicken Sie auf EDITOR > In Matlab ausführen, um das Skript zur Berechnung der EVDP-Lebensdauer und Zuverlässigkeitsleistung aus den gespeicherten Simulationsergebnissen auszuführen.
3. Klicken Sie in der Systemsimulationsplattform auf Simulationsmodus , um die Simulationsergebnisse zu überprüfen. Leiten Sie andere EVDP-Leistungsergebnisse aus diesen Zeitbereichssimulationsergebnissen ab (z. B. die Taumelscheibensteuerungsgenauigkeit und -bandbreite, die EVDP-Arbeitstemperatur, die EVDP-Effizienz und die EVDP-Leistungsstufe).
4. Klicken Sie in der Systemsimulationsplattform auf Parametermodus , um die in Schritt 5.1.4 angegebenen Simulationsparameter festzulegen. und 5.1.5. Klicken Sie auf EDITOR > In Matlab ausführen, um das Skript zum Aktivieren der dynamischen und thermischen Modelle auszuführen. Klicken Sie in der Systemsimulationsplattform auf Simulationsmodus, um die Simulationsergebnisse der Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen zu überprüfen.

Representative Results

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 und die EVDP-Leistungssimulationsaufgaben, die sich auf die EVDP-Designanforderungen beziehen. Die Ergebnisse des Protokolls sind die endgültigen vorläufigen Entwurfsergebnisse des EVDP, einschließlich der Werte der EVDP-Designparameter und der vorhergesagten EVDP-Leistung unter diesen Designparametern. Insbesondere die in den Protokollen Schritt 1 und 2 integrierten Parameterschätzungsmodelle liefern die Ergebnisse der Entwurfsparameter. Protokollschritt 3 und Schritt 4 erzeugen das Simulationsmodell für die abschließende Prüfung des EVDP. Protokollschritt 5 sagt die EVDP-Leistung unter den spezifischen Designparametern voraus. Diese werden im Folgenden im Detail erläutert.

Die Parameterschätzung ergibt sich basierend auf den aktiven Parametern in Schritt 5.1.1. sind in Tabelle 2 aufgeführt. Diese Parameter reichten aus, um das in Schritt 3 vorgeschlagene Simulationsmodell auszuführen. Außerdem werden sie an die Komponentenhersteller verteilt, um als Komponentenanforderungen verwendet zu werden. Anschließend wurde die EVDP-Masse leicht durch Addieren der einzelnen Komponentengewichte erhalten, was zu 10,82 kg führte.

Nach dem Ausführen von Schritt 5.2.2. Unter Verwendung der oben genannten Parameter und Einstellungen wurden die Ergebnisse der dynamischen und thermischen Rohsimulation erhalten. Abbildung 11 zeigt die Temperaturdynamik verschiedener EVDP-Teile, die die Bewertung der thermischen Leistung des ausgewählten EVDP-Designs stark unterstützen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die höchste Flüssigkeitstemperatur (175 ° C) im Ablaufvolumen lag, was die zukünftigen Anforderungen an die thermische Auslegung umreißt. Die Flüssigkeit in der Leckageleitung (Abfluss, Getriebe und Motor) zeigte eine Temperaturwelle, die hauptsächlich durch die unterschiedlichen Leckagedurchflussraten verursacht wurde. Daher sollte die Leckage nicht nur bei der Effizienzauslegung, sondern auch bei der thermischen Auslegung berücksichtigt werden. Die festen Teile zeigten eine viel langsamere thermische Konstante, aber sie veränderten die EVDP-Temperatur nicht signifikant, da die erzeugte Wärme und die Feststoffmasse nicht mit der Fluidseite vergleichbar waren.

Abbildung 12A zeigt den EVDP-Wirkungsgrad bei vollem Arbeitszyklus. Unter Volllast (erste 3 s) erreichte der EVDP einen Gesamtwirkungsgrad von rund 80%, der als Ausgangsfluidleistung / (Welleneingangsleistung + Servomotoreingangsleistung) definiert ist. Der Wirkungsgrad sank deutlich, wenn die Last abnahm. Dies liegt daran, dass das EVDP immer mit seiner Nenndrehzahl läuft, was zu kontinuierlichen Reibungsverlusten führt, aber die absoluten Verluste des EVDP sanken (von 8,4 kW auf 2,3 kW) zusammen mit der Effizienzabnahme in Abbildung 12A. Dies sind gemeinsame Merkmale der meisten Leistungsumwandlungsgeräte (d. h. Teillastbedingungen führen zu einem geringeren Wirkungsgrad, aber auch die absoluten Verluste nehmen ab), so dass sie keine Bedenken hinsichtlich der EVDP-Leistung verursachen. Der Wirkungsgrad von 80% im Volllastzustand des EVDP ist grundsätzlich ein zufriedenstellendes Ergebnis. Es ist auch erwähnenswert, dass die Effizienzergebnisse bei 2-3 s schwankten. In diesem Zeitraum lag die Leistung der Eingangswelle und des elektromechanischen Verdrängersteuerteils auf einem vergleichbaren Niveau (1 kW). Darüber hinaus zeigte der elektromechanische Wegregelteil aufgrund der hohen internen Druckdynamik des EVDP eine schnelle Änderung und Rekuperation des Stromverbrauchs innerhalb dieses Zeitraums. Daher schwankt der Wirkungsgrad in diesem Zeitraum gemäß der Effizienzdefinition erheblich, sogar außerhalb des Bereichs von 0% -100%.

Der geschwungene Frequenzgang (2,5° Amplitude von 8 Hz bis 20 Hz) untersucht die dynamische Leistung des EVDP. Wie in Abbildung 12B gezeigt, folgte die Taumelscheibenneigung dem Befehlsbohrloch während des Kehrfrequenzbereichs (-0,3 dB, -43° als niedrigster), was auf mehr als 20 Hz EVDP-Bandbreite hinweist. Die hohe dynamische Leistung konnte aufgrund des Niedrigträgheitskontrollgerätedesigns des EVDP (d.h. des elektromechanischen Steuergeräts) leicht erreicht werden. Dies zeigt die dynamischen Vorteile von EHA mit variabler Verschiebung unter Verwendung des EVDP im Vergleich zum EHA mit variabler Geschwindigkeit. Die drehzahlvariable EHA muss die Hauptwelle der Motorpumpe mit hoher Trägheit dynamisch drehen, was sich in der untersuchten Anwendung als große Herausforderung erwies (35 kW Leistung).

Schließlich Schritt 5.2.3. und Schritt 5.3. Transformieren Sie die rohen Simulationsdaten in die projizierte Leistung des EVDP unter Einhaltung des Spezifikationsstils, wie in Tabelle 3 dargestellt. Eine gute Regelgenauigkeit (0,09 Grad Fehler) wurde vorhergesagt. Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Pumpe erwies sich als die schwächsten, und diese sind in Tabelle 3 aufgeführt. Anschließend wurde ein vollständiges Leistungsbild für das zuvor entworfene EVDP gezeichnet, das einen wesentlichen Output dieses vorläufigen Entwurfs darstellt.

Die Ergebnisse in Tabelle 4 wurden nach der Simulation der Einstellungen in Schritt 5.1.4 erzielt. Das Getriebe wurde im zuvor konstruierten EVDP (Getriebeübersetzung von 1) verworfen. Diese Simulation bestätigte, dass eine angepasste Getriebeübersetzung zwischen 1-3,5 (minimale Standardgetriebeübersetzung) hilfreich sein kann. Der Servomotor wurde auf einen optimalen Wert dimensioniert, sobald eine neue Getriebeübersetzung verwendet wurde. Dann war ein fairer Vergleich zwischen den verschiedenen Getriebeübersetzungen möglich. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verhältnisse 2 und 3 einige Genauigkeits- und Gewichtsvorteile erzielen könnten, jedoch nicht auf einem signifikanten Niveau, so dass es nicht notwendig ist, das kundenspezifische Getriebe auszuwählen, da seine Vorteile möglicherweise nicht die Kosten ausgleichen.

Die Parameterunsicherheitseffekte der Drehmomentkonstante des Servomotors und des Trägheitsmoments sind in Tabelle 5 dargestellt. Die 20%ige Unsicherheit dieser beiden Parameter führte nicht zu größeren Schwankungen in der EVDP-Regelleistung. Dies deutet darauf hin, dass eine Toleranz von 20 % dieser beiden Parameter für die endgültigen Spezifikationen des Servomotors akzeptabel ist. Dies ist auch eine wichtige Anweisung für die Komponentenhersteller. Die Unsicherheitsanalyse sollte auch für andere unsichere Parameter durchgeführt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Designparameter und die EVDP-Leistung durch die Durchführung des Protokolls erhalten wurden. Darüber hinaus erhöhen die Sensibilitätsanalyse und die Robustheitsanalyse das Vertrauen und die Anwendbarkeit der Designergebnisse. Dies sind die vorläufigen Entwurfsergebnisse des EVDP. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht eine praktische EVDP-Vorentwurfsmethode durch die Entwicklung der Parameterschätzungsmodelle und des Multi-Domain-EVDP-Simulationsmodells. Die Qualität der Designergebnisse wurde verbessert und der Designzyklus verkürzt. Diese Vorteile stärken die Kompetenz der EVDP und bieten ihre eigenen technischen Vorteile.

Abbildung 1: Das EVDP-Konzept. (A) Die Schaltpläne, die die konventionelle Verstellpumpe in die elektrische Verdrängerpumpe überführt. (B) Eine Strukturillustration des EVDP. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Der vorläufige Entwurfsprozess des EVDP. Die EVDP-Architektur und die Designanforderungen werden als Input genommen, und die Dimensionierung auf Systemebene und die vorläufigen Ergebnisse der Entwurfsleistung sind die Outputs. Der Prozess besteht aus zwei Hauptschritten: Optimierungsdesign und Verifikation durch Simulation. Die Parameterschätzungsmodelle unterstützen die beiden Schritte stark. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Die multidisziplinäre Kopplungsmodellarchitektur des EVDP. Dieses Modell wird für die abschließende Entwurfsprüfung im Vorentwurf verwendet. Die Disziplinen sind gekoppelt, um alle allgemeinen Designanforderungen auf einem hohen Genauigkeitsniveau zu bewerten. Das Modell wird in einer Co-Simulationsplattform mit einer objektorientierten Methode entwickelt. Insbesondere beinhaltet das Modell die Parametergenerierungsfunktion, um die Herausforderung der Parametererfassung zu bewältigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Der Controller des EVDP. Ein Triple-Loop-PID-Regler wird für die EVDP-Wegregelung verwendet, wobei die innere Schleife die Servomotor-Stromsteuerung, die mittlere Schleife die Servomotor-Drehzahlregelung und die äußere Schleife die EVDP-Wegregelung ist. Die EVDP-Hauptwelle wird mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Die Referenz-EVDP-Wärmeaustauschstruktur zur Schätzung der Parameter in Gleichung (9) basierend auf Skalierungsgesetzen. (A) Wärmeaustauschstruktur der beiden Ports. (B) Thermische Austauschstruktur des Entwässerungsvolumens. (C) Thermische Austauschstruktur der Pumpenrotorbaugruppe. EVDPs unterschiedlicher Größe beziehen sich alle auf dieselben thermischen Austauschstrukturen. Anschließend können die wärmetauscherbezogenen Abmessungen verschiedener EVDP-Designs basierend auf Skalierungsgesetzen berechnet werden. Die Wärmeaustauschkoeffizienten können hiermit mit Hilfe der Gleichung (9) berechnet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Der getestete Prototyp des EVDP. Der Prototyp ist nach den Schaltplänen in Abbildung 1 gebaut, mit Parametern von 7,4 ml/U Hubraum, 7000 U/min Nenndrehzahl, 21 MPa Nenndruck, 1,59 x10-3 m Kugelgewindetrieb und 2,47 Getriebeübersetzung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7: Der Prüfstand des EVDP. Die schwarzen Linien sind der belastende Teil des Prüfstands. Die roten Linien sind der Kontrollteil des Prüfstands. Die blauen Linien sind der EVDP-Prototyp. 1. Motor fahren, 2. Drucksensor, 3. Durchflussmesser, 4. Drucksensor, 5. Durchflussmesser, 6. EVDP-Prototyp, 7. Rückschlagventil, 8. Rückschlagventil, 9. Hilfshydraulik, 10. Modeventil, 11. Rückschlagventilgruppe, 12. Druckregelventil. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8: Experimentelle und Simulationsergebnisse der EVDP-Durchflussreaktionen. (A) Die Durchflussreaktionen unter verschiedenen Taumelscheibenneigungsbedingungen bei konstantem Lastdruck von 3,5 MPa. (B) Die Durchflussreaktionen unter verschiedenen Taumelscheibenneigungs- und Lastdruckbedingungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 9: Versuchs- und Simulationsergebnisse der Frequenzcharakteristik der Taumelscheibenneigungsregelung . (A) Der Vergleich ergibt, wenn das Simulationsmodell automatisch generierte Parameter verwendet. (B) Der Vergleich ergibt, wenn das Simulationsmodell die realen Parameter des Prototyps verwendet. Die Ergebnisse werden erhalten, indem der Sweeping-Frequenzbefehl auf die EVDP-Verschiebung eingestellt und die Zeitbereichsantworten in Magnituden- und Phasenantworten umgewandelt werden. Die Magnituden- und Phasenantworten werden zur Veranschaulichung der Vergleichsergebnisse verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 10: Simulationsanalyseprozess. Dies ist ein Teilschritt von Schritt 5 in Abbildung 2. Verschiedene Tastverhältnisse und das Simulationsobjekt (eine Gruppe aktiver Parameter) werden zuerst definiert. Anschließend kann das vorgeschlagene Modell zum Ausführen der Simulation verwendet werden. Schließlich werden die Simulationsergebnisse in die EVDP-Spezifikationen abgeleitet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 11: Die Simulationsergebnisse der EVDP-Temperatur . (A) Die Temperatur des Flüssigkeitsvolumens. (B) Die feste Knotentemperatur. Die Ablauf-, Getriebe- und Servomotorvolumina bilden den Leckagedurchgang und führen zu höheren Temperaturen. Die beiden Ports transportieren Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskühlkörper, so dass ihre Temperaturen viel niedriger sind. Die thermischen Konstanten der inneren Festkörper sind aufgrund ihrer kleinen Wärmeaustauschkoeffizienten ziemlich groß, aber sie verändern die endgültige EVDP-Temperatur nicht wesentlich, da sie einen kleinen Anteil an der EVDP-Masse und den Verlusten ausmachen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 12: EVDP-Effizienz und dynamische Leistung . (A) Der EVDP-Wirkungsgrad unter einem Arbeitszyklus. (B) . Der EVDP reagiert auf den Sweeping-Frequenzbefehl. Der Wirkungsgrad sinkt zusammen mit der Abnahme der Ausgangsleistung. Dies liegt daran, dass das EVDP immer mit der Nenngeschwindigkeit läuft und dabei kontinuierlich eine Menge Energie abgibt, aber dies ist kein Problem für die EVDP-Leistung, da die absoluten Verluste zusammen mit der Ausgangsleistung abnehmen. Die EVDP-Taumelscheibe folgt dem 8-20 Hz, 2,5° Amplituden-Sweeping-Frequenzbefehl (-0,3 dB, -43° als niedrigste), was darauf hinweist, dass die EVDP-Wegregelung eine Bandbreite von mehr als 20 Hz hat. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Klassifizierte Konstruktionsparameter des EVDP. Die Konstruktionsparameter jeder Komponente werden in aktive, getriebene und empirische Kategorien eingeteilt. Die unabhängigen Parameter oder Spezifikationen, die für jede Komponente am repräsentativsten sind, sind die aktiven Parameter. Die Parameter, die aus den aktiven Parametern abgeleitet werden können, sind die gesteuerten Parameter. Die anderen Parameter, die mit Hilfe empirischer Funktionen berechnet werden, sind die empirischen Parameter. Diese Tabelle 1 ist eine Erweiterung der Tabelle in Han et ^al.20. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Die Ergebnisse der Parameterschätzung basieren auf den aktiven Parametern. V ist die sofortige Fluidgeschwindigkeit. Einige Parameter werden in eine illustrativere Form geändert (z. B. wird der Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs in den viskosen Koeffizienten geändert). Diese Parameter sind die vorläufigen Konstruktionsergebnisse und werden als Spezifikationen an die Komponentenhersteller verteilt. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 3: Die designte Leistung des EVDP. Die rohen Ergebnisse der Zeitbereichssimulation werden in die EVDP-Spezifikationen abgeleitet, die das Hauptergebnis des EVDP-Vorentwurfs sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 4: Die EVDP-Sensibilität für die angepasste Getriebeübersetzung. 1 ist der ursprüngliche Designwert, während 2 und 3 die Vergleichswerte (kundenspezifische Werte) sind. Der Servomotor muss bei Verwendung einer neuen Getriebeübersetzung auf einen optimalen Wert dimensioniert werden, damit der Vergleich zwischen verschiedenen Übersetzungen fair ist, aber eine angepasste Getriebeübersetzung wurde als unnötig befunden, da die Vorteile begrenzt waren. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 5: Die Unsicherheitseffekte der Drehmomentkonstante des Servomotors und des Trägheitsmoments. 20% Fehler der Drehmomentkonstante des Servomotors und des Trägheitsmoments zeigen keine negativen Auswirkungen auf die EVDP-Regelleistung. Dies deutet darauf hin, dass für die Komponentenhersteller eine Toleranz von 20% der untersuchten Parameter vorgegeben werden kann. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Discussion

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 Leistungskompromisse und -optimierungen erfordert. Dieses Papier hat einen vollständigen Prozess der EVDP-Modellierung und -Simulation für den Vorentwurf vorgeschlagen und veranschaulicht. Dieser Prozess begann mit einer allgemeinen und praktischen Sicht auf diese Aufgabe, die eine multidomänenübergreifende Kopplungsanalyse und multidisziplinäre Anforderungen beinhaltet. Auch die Schwierigkeiten bei der Erfassung von Simulationsparametern wurden durch diverse Parameterschätzungsmodelle gelöst. Dadurch ermöglicht das Verfahren ein effizientes und optimales Vordesign des EVDP. Es ist erwähnenswert, dass die Simulation der letzte Verifikationsschritt des Vorentwurfs des EVDP war. Der Prozess zielte darauf ab, die entworfene EVDP-Leistung aus der vorherigen Optimierung (Schritte 3 und 4 in Abbildung 2) mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu überprüfen. Das heißt, die EVDP-Leistung (z. B. Regelleistung und Gewicht) war bereits optimiert, bevor der Simulationsprozess in diesem Papier durchgeführt wurde.

Die Designparameteranalyse (Schritt 1) hängt von der Expertise des Konstrukteurs ab. Ein guter Wissensstand ist erforderlich, um die Komponentenleistung mit der EVDP-Leistung in Beziehung zu setzen. Die Komponentenkataloge können helfen, die Philosophie der Komponenten zu lernen, aber der Konstrukteur ist immer dafür verantwortlich, mit dem EVDP vertraut zu sein. Dann ist es möglich, zufriedenstellende Ergebnisse der Parameteranalyse zu erhalten.

Die Parameterschätzung (Schritt 2) diente nicht nur zur Unterstützung der Simulation, sondern auch zur Formulierung der Bauteilspezifikationen für Komponentenhersteller. Die Parameter jeder Komponente werden an die Komponentenhersteller verteilt, um die Komponentenanforderungen festzulegen. Es ist erwähnenswert, dass die Parameter immer von Toleranzen begleitet werden, die mit Hilfe der Unsicherheitsanalyse definiert werden können. Die Parameterschätzungsmodelle sollten entsprechend den jeweiligen Eigenschaften der Komponenten entwickelt werden. Zunächst sollten die Komponenten in kundenspezifische Gruppen- und Standardgruppen eingeteilt werden, die Berechnungsmodelle bzw. Datenbanken zur Schätzung verwenden. Zweitens sollten die Grundlagen für die Auswahl der einzelnen Parameter analysiert werden (z. B. Geometrieähnlichkeit, Materialleistung usw.). Dann kann ein geeignetes Schätzmodell ausgewählt und entwickelt werden.

Die EVDP-Leistung, die Steuerung und die thermischen Eigenschaften wurden in erster Linie verwaltet, um die gewünschten Funktionen und die gewünschte Leistung für die Stromversorgung des EHA mit variabler Verschiebung zu erreichen. Daher erfüllen das dynamische Modell (Schritt 3.2.) und das thermische Modell (Schritt 3.3.) die grundlegenden Simulationsanforderungen. Sie wurden gekoppelt entwickelt (d.h. ein gemeinsames Modell wurde gebaut, um die dynamischen Eigenschaften und thermischen Eigenschaften gleichzeitig einzubeziehen). Auch die objektorientierte Modellierung ist aufgrund ihrer klaren Architektur und guten Wiederverwendbarkeit vorzuziehen, aber es ist zusätzlicher Aufwand erforderlich, um die Kausalität einzuhalten. Die Modellierung auf Architektur- und Gleichungsebene ist erforderlich, da sich die Simulationsumgebung je nach Bedarf ändern kann. Dieses Dokument veranschaulicht weiter über die Simulationsumgebung hinaus, so dass es an spezifische Software angepasst werden kann. Die Validierung des Modells durch Prototyping und Experimente (Schritt 4) ist vorteilhaft für die Erstellung zuverlässigerer Simulationsmodelle, insbesondere wenn es sich bei dem Modellierungsobjekt um ein neu vorgeschlagenes Produkt handelt, aber, wie in Schritt 4 erläutert, gelten die Modelle als anwendbar für die Simulation derselben Art von EVDP in der Zukunft, sobald sie validiert wurden.

Die EVDP-Simulation in diesem Papier wurde hauptsächlich zur Bewertung und Analyse der vorläufigen Entwurfsoption verwendet. Die Simulation sollte so durchgeführt werden, dass alle Konstruktionsergebnisse in dieser Phase gesammelt werden. Der Arbeitszyklus und die Umgebung sollten unter Berücksichtigung verschiedener Bewertungszwecke definiert werden. Neben der Performance-Simulation sollten auch Parametersensitivität und Unsicherheiten berücksichtigt werden. Hierdurch können vollständige Anleitungen für die folgenden Konstruktionsaufgaben skizziert werden. In diesem Artikel betrug die höchste erkannte Flüssigkeitstemperatur 175 ° C, was das thermische Design zur Steuerung der Flüssigkeitstemperatur unterstützt. Zusammen mit anderen Ergebnissen wurde ein vollständiges Bild für das EVDP-Design auf Systemebene gezeichnet. Die Sensitivitätsanalyse fungierte als doppelte Überprüfung der Parameterauswahl in der vorherigen Entwurfsoption, während die Unsicherheitsanalyse hauptsächlich zur Definition der Konstruktionstoleranz beitrug. Eine gründlichere Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse ist gerechtfertigt, um die vorläufigen Entwurfsergebnisse der Parameter zu bestätigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene EVDP-Modellierungs- und Simulationsmethode die praktischen Bedürfnisse des EVDP-Vorentwurfs berücksichtigt, die in früheren einschlägigen Forschungen teilweise vernachlässigt wurden (d. h. unter Einbeziehung aller allgemeinen Anforderungen und unter Berücksichtigung der Designrobustheit). So kann es umfassende Designergebnisse liefern und zukünftige EVDP-Vorentwürfe effektiv unterstützen. Darüber hinaus kann es auch für die Gestaltung anderer ähnlicher Produkte angepasst werden.

Der Simulationsfall in diesem Artikel ist ein Designbeispiel für ein EVDP für zukünftige 35 kW EHA mit variablem Hubraum. Es zeigt das Potenzial des EVDP in Hochleistungs-EHA-Anwendungen, aber diese Anwendung wurde noch nicht gestartet. Die Simulationsergebnisse gelten aufgrund der Modellvalidierung auf Basis eines verkleinerten EVDP-Prototyps in Schritt 4 als vertrauenswürdig. Die Genauigkeit der Parameterschätzungsmodelle wirkt sich erheblich auf die Entwurfsqualität aus, da sie sich sowohl auf die Leistungsbewertung als auch auf die Komponentenspezifikationen auswirken. Variable Power Law Meta-Modelle (VPLMs)³⁴ können für die Aktualisierung der Parameterschätzungsmodelle in diesem Artikel in Betracht gezogen werden, aber VPLMs benötigen eine große Menge an experimentellem Design, was viel mehr Modellierungsvorbereitungszeit erfordert.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ball screw	NSK	PSS
EVDP prototype	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa
EVDP testrig	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.
Gearhead	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet magnet synchronous motor	Maxon	393023
Piston pump	Bosch Rexroth	A10VZO
Simcenter Amesim	Siemens	2021.1	system simulation platform