Numerische und experimentelle Bewertung verschiedener Verdrängerpumpen zur Anwendung in Automatikgetrieben

Lobsinger, Thomas

doi:10.21268/20220705-0

published

Numerische und experimentelle Bewertung verschiedener Verdrängerpumpen zur Anwendung in Automatikgetrieben

German
English

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Verdrängerpumpenprinzipien für die Applikation in Automatikgetrieben durch numerische und experimentelle Untersuchungen miteinander verglichen und bewertet. Neben der einphasigen Ölförderung wird insbesondere auch der mehrphasige Betrieb mit verschiedenen Luftvolumenfraktionen im Öl betrachtet, da diese Betriebszustände in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Durch die Evaluierung der systemseitigen Anforderungen der Getriebesysteme und deren Gewichtung für verschiedene Anwendungsfälle kann das breite Feld der Verdrängerpumpen durch eine umfangreiche theoretische und empirische Bewertungssystematik auf eine Vorauswahl von drei Pumpenprinzipien eingegrenzt werden: die doppelhubige, symmetrische Flügelzellenpumpe, die vollkompensierte Innenzahnradpumpe und die sogenannte Tumbling Multi Chamber (TMC)-Pumpe, eine neuartige Zahnradpumpe mit einer dreidimensionalen, axial angeordneten Verzahnung. Für die Berechnung der dispersen Öl-Luft-Mehrphasenströmung wird eine CFD-Methode auf Grundlage eines inhomogenen Euler-Euler Ansatzes genutzt. Herausfordernd sind hier die engen Spalte in den Verdrängerpumpen, in denen hohe Druckgradienten und Strömungsgeschwindigkeiten zu numerischen Instabilitäten führen können. Anhand eines vereinfachten 2D-Modells der Flügelzellenpumpe werden Grundlagenuntersuchungen zur Gitterkonvergenz sowie zu Modellparametern und Modellsensitivitäten durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass vor allem der mittlere Luftblasendurchmesser der dispersen Phase einen großen Einfluss auf die numerische Lösung hat. Die grundsätzlichen Effekte in den Betriebscharakteristiken der Pumpe, die aus einer Luftvolumenfraktion im Öl resultieren, können auch anhand des 2D-Modells vorhergesagt werden. Freie Luft führt zu deutlich höheren Druck- und Massenstrompulsationen am Auslass. Weiterhin sinkt durch die erhöhte Kompressibilität des Öl-Luft-Gemischs das notwendige mittlere Antriebsdrehmoment. Es zeigt sich ebenfalls, dass die größten Luftanteile in den Förderkammern aufgrund des radialen Druckgradienten bei den kleinsten Radien transportiert werden. Die für die drei Pumpen anhand der numerischen Modelle vorhergesagten Charakteristiken zeigen eine gute Übereinstimmung mit den generierten experimentellen Daten. Abweichungen ergeben sich hauptsächlich durch die Annahmen für die Spalthöhen in den Simulationen. Hier zeigen sich vor allem bei den Druckpulsationen Unterschiede zwischen experimentellen und numerischen Daten. Trotzdem können mithilfe der zwei verwendeten numerischen Konfigurationen nahezu alle relevanten Charakteristiken der Pumpen vorhergesagt und miteinander verglichen werden. Zusätzlich liefern die experimentellen Daten ebenfalls ergänzende Informationen über die Betriebscharakteristiken. Eine Herausforderung bei den experimentellen Versuchen ist vor allem die Erfassung der von der Pumpe verursachten Druckpulsationen, da bei der Messung auch Schwinganteile des angeschlossenen Hydrauliksystems und des Antriebs auftreten und es zu Reflexionen im Messbereich kommen kann. Weiterhin ist die korrekte Generierung und Messung der Phasenmorphologie der dispersen Luftphase ein weiterer Punkt, an dem für eine bessere Übereinstimmung von numerischen und experimentellen Daten weiterführend gearbeitet werden sollte. Unter Berücksichtigung aller numerischen und experimentellen Daten zeigt sich, dass vor allem die Flügelzellenpumpe und die Innenzahnradpumpe für den Einsatz in zukünftigen Getriebegenerationen gut geeignet sind. Beide zeigen hohe Wirkungsgrade und geringe Volumenstrom- und Druckpulsationen. Die TMC-Pumpe erreicht aufgrund ihrer geringeren Anzahl an Verdrängerkammern, ihrer komplexen Spaltgeometrie und ihres kleineren Kompressionsverhältnisses deutlich niedrigere Wirkungsgrade und weist höhere Druck- und Volumenstrompulsationen und eine wenig drucksteife Fördercharakteristik auf. Vor allem im Betrieb mit Luft wirkt sich das kleine Kompressionsverhältnis der TMC-Pumpe stark negativ aus. Grundsätzlich lässt sich aus den Untersuchungen schlussfolgern, dass für den Betrieb mit freier Luft ein möglichst großes Kompressionsverhältnis vorteilhaft ist. Weiterhin erreicht die TMC-Pumpe durch hohe Druckverluste im Saugbereich früh die Kavitationsgrenzdrehzahl und ist daher für hohe Drehzahlbereiche im jetzigen Design nicht geeignet. Der große Vorteil der TMC-Pumpe gegenüber den beiden anderen untersuchten Pumpen ist die Möglichkeit, die Pumpenbauteile aus Kunststoff zu fertigen und so eine deutliche Kosteneinsparung zu erreichen. Daher sollten mögliche Optimierungspotenziale, die zu einer vergleichbaren Leistung der TMC-Pumpe entsprechend der beiden anderen Pumpen führen, weiter untersucht werden.

In the scope of this work, different positive displacement pump principles for application in future automatic transmission systems are evaluated and compared using numerical and experimental methods. In addition to operation with pure oil, a multiphase operation with different inlet gas volume fractions of free air in the oil is considered, as these multiphase pumping conditions will occur more frequently in the future and thus gain in importance. By deriving the system requirements and ranking them according to their importance for three different transmission system applications, the broad field of positive displacement pumps can be narrowed down to a preselection of three pump principles by means of an extensive theoretical and empirical-based evaluation: the double-stroke, balanced vane pump, the fully compensated internal gear pump and the so-called Tumbling Multi Chamber (TMC) pump, a gear pump with three-dimensional, trochoidal gears, which are aligned axially. A CFD methodology based on an inhomogeneous Euler-Euler approach is used to predict the dispersed oilair multiphase flow. The main challenge here is presented by resolving the narrow clearances in the positive displacement pumps. Due to the high pressure gradients and velocities numerical instabilities often occur here. By using a simplified 2D model of the balanced vane pump, fundamental investigations concerning the grid convergence as well as on model parameters and sensitivities are conducted. It can be shown that especially the assumption for the mean air bubble diameter of the dispersed phase has a large impact on the numerical solution. The fundamental phenomena in the operating characteristics of the pumps resulting from an inlet gas volume fraction of free air in the oil can be predicted by the 2D model. Air in the oil leads to significantly higher outlet pressure and mass flow pulsations. Furthermore, the necessary mean driving torque decreases due to the increased mixture compressibility. It can also be shown that the highest air volume fractions in the enclosed conveying chambers are transported at the smallest radii due to the radial pressure gradient. The operational characteristics predicted for the three pumps using the numerical models show a good fit with the obtained experimental data. Deviations are mainly caused by the assumptions for the gap heights in the numerical simulations. Especially in the pressure pulsation signals, deviations between experimental and numerical data can be observed. Nevertheless, with both numerical configurations used, almost all relevant operational characteristics of the pumps can be predicted and compared. In addition, the experiments also provide valuable, additional data regarding the operating characteristics. The main challenge in the experimental measurements lies in the recording of the pressure pulsations caused by the pumps since vibrations of the connected hydraulic circuit and the driving engine are also recorded in the measurement and pressure reflections can occur in the measurement section. In addition, the generation and measurement of the phase morphology of the dispersed air phase is another point on which further work should focus to achieve a better agreement of numerical and experimental data. Considering all the obtained numerical and experimental data, it can be concluded that the balanced vane pump and the internal gear pump in particular are well suited for application in future generations of transmission systems. Both show high efficiencies and low flow and pressure pulsations. Due to its comparatively smaller number of displacement chambers, its complex gap geometry and its low compression ratio, the TMC pump reaches significantly lower volumetric efficiencies and shows higher pressure and flow pulsations and a less pressure-stiff conveying characteristic than both other pumps. Especially in operation with free air, the large dead volumes in the rotor and the resulting low compression ratio of the TMC pump have a strong negative effect. In general, it can be concluded from the investigations, that a high compression ratio is advantageous for operation with free air. Furthermore, the TMC pump reaches the cavitation limit quite early due to high pressure losses in the suction area and therefore is not suitable for operation at high rotational speeds in the current development status. The major advantage of the TMC pump over the other two pumps investigated is the possibility of manufacturing its components from plastic, thus achieving significant cost savings. Therefore, possible optimization potentials leading to a comparable performance of the TMC pump in line with the other two pumps should be further investigated.