Untersuchung der strömungsinduzierten Geräuschentstehung in Flügelzellenpumpen von Kraftfahrzeugen

In dieser Arbeit wird mit Hilfe numerischer Methoden die Geräuschcharakteristik von Flügelzellenpumpen in Getriebeanwendungen von der anregenden Pumpeninnenströmung bis zum abgestrahlten Luftschall modelliert. Dafür wird ein kombinierter CFD-FEM Ansatz gewählt. Eine 3D Simulation der Pumpe dient zur Berechnung der Strömung. Diese ist als URANS Simulation ausgeführt, wobei die Netzbewegung mit einer Morphing-Methode realisiert wird. Die Ergebnisse dieses Modells werden mit Kammerinnendruckmessungen einer Verdrängerkammer der Flügelzellenpumpe validiert. Für die Validierung werden verschiedene Betriebspunkte und deren Einfluss auf den Druckverlauf in einer Verdrängerkammer analysiert. Mit Hilfe dieses Modells werden die Ursachen für Druckschwankungen und -stöße während des Pumpenbetriebs untersucht. Optimierungspotenziale zeigen sich vor allem beim Übergang einer Verdrängerkammer vom Druckauslass zurück zum Saugeinlass. Der dort entstehende Druckstoß kann durch eine Modifikation nahezu komplett vermieden werden. Mit weiteren Untersuchungen einer Mehrphasenströmung werden Stellen, an denen sich hohe Luftanteile im Pumpenbetrieb sammeln, aufgezeigt. Außerdem werden die Auswirkungen von freier Luft im Öl auf den Druckverlauf in einer Verdrängerkammer, auf den volumetrischen Wirkungsgrad und auf das durch Fluidkräfte verursachte Drehmoment dargestellt. Die resultierende Kraft auf den Innenflächen der Flügelzellenpumpe wird genutzt, um die korrekte Übertragung der Strömungsvariablen vom Netz der CFD Simulation auf das Netz der FEM Simulation zu gewährleisten. Die für die Interpolation zwischen den Netzknoten verwendeten Parameter werden anhand dieses Kriteriums kalibriert. Eine angemessene Wahl der Zeitsignallänge und Zeitschrittweite für eine geeignete Frequenzauflösung des Drucksignals wird ebenso vorgestellt. Die nachfolgenden strukturmechanischen und vibroakustischen Simulationen nutzen die Anregungsgrößen aus der Strömung als Last. Verschiedene Randbedingungen des strukturmechanischen Modells werden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Zur Validierung des Modells werden Beschleunigungs- und Luftschallmessungen in einem Halbfeldraum herangezogen. Während die berechneten Beschleunigungswerte am Pumpengehäuse in der Größenordnung der gemessenen Werte liegen, zeigen sich im prognostizierten Luftschall starke Abweichungen. Diese Abweichungen werden unter anderem durch die Diskrepanz zwischen dem Simulationsmodell und dem Prüfstandsaufbau verursacht. Die Anbauten und Schläuche am Prüfstand sowie das angeschlossene Hydrauliksystem sind in der Simulation nicht abgebildet. Die qualitative Veränderung der Geräuschcharakteristik durch verschiedene Anregungsgrößen kann durch das Simulationsmodell jedoch erfasst werden. Untersuchungen mit dem Modell zeigen, dass ein höherer Luftanteil im System neben den hohen Anregungen zu den Hauptordnungen der Pumpe auch zu erhöhten Amplituden weiterer Frequenzen führt. Dadurch heben sich die Hauptordnungen nicht mehr so stark vom Grundniveau des Schalldruckpegels ab. Insgesamt steigen durch den Luftanteil jedoch die Druckschwankungen und anregenden Kräfte im System und führen zu einer erhöhten Schallabstrahlung der Pumpe. Werden die Fluidkräfte, die auf den Rotor wirken und die entstehenden Kräfte durch die Wandschubspannung berücksichtigt, zeigt sich, dass bei dem hier betrachteten Pumpentyp die größten resultierenden Kräfte in der Flügelzellenpumpe durch das hydrostatische Arbeitsprinzip und das sich in der Strömung ausbildende Druckfeld hervorgerufen werden. Durch den Übergang einer Verdrängerkammer vom Saug- in den Druckbereich oder umgekehrt, entstehen am Kurvenring Bereiche von der Winkelausdehnung einer Verdrängerkammer, die abwechselnd mit hohen und niedrigen Kräften belastet sind. Die Druckstöße in der Verdrängerkammer über das vom Verbraucher geforderte Druckniveau heraus haben dabei nur einen geringen Anteil an diesen Kräften. Der Hauptteil der Kräfte und der Schallentstehung wird über die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugbereich verursacht. Im finalen Schritt werden in dieser Arbeit die Auswirkungen des aus den CFD-Simulationen resultierenden Designs zur Reduzierung des Druckstoßes in einer Verdrängerkammer experimentell anhand von Drehzahlhochläufen und Schallleistungsmessungen überprüft. Hier bestätigt sich das Ergebnis aus der Untersuchung der Kräfte im Simulationsmodell. Ein reduzierter Druckstoß wirkt sich nicht maßgeblich auf die Geräuschcharakteristik der Pumpe aus. Lediglich bei hohen Drehzahlen ist eine leichte Tendenz zu einer verbesserten Geräuschcharakteristik des Designs mit den reduzierten Druckstößen erkennbar.