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.
In this thesis, a numerical approach is used to model the noise characteristics of rotary vane pumps in automatic transmission applications. The scope of this work includes the modeling of the stimulating internal oil flow of the pump as well as the modeling of the emitted structure-borne and airborne noise. For this task, a combined CFD-FEM approach is chosen. A 3D simulation of the pump is used to predict the flow. The simulation is carried out as an URANS simulation, whereby the mesh movement is performed using a morphing method. The results of this model are validated by the means of internal pressure measurements in a displacement chamber of the vane pump. Various operating points are investigated to validate the simulation and to analyze the influence on the pressure in a displacement chamber. This model is further used to investigate the causes of pressure fluctuations and pressure surges during the pump operation. There is potential for optimization for the pressure surge occurring during the transition of a displacement chamber from the delivery to the suction port. This pressure surge can almost be completely avoided by a modified design. With further investigations of a multiphase flow, locations of high volume fractions of air in the flow during pump operation are analyzed. In addition, the impact of free air in the oil flow on the pressure in a displacement chamber as well as on the volumetric efficiency and on the torque caused by fluid forces are shown. The resulting force on the inner surfaces of the vane pump is used to ensure the correct transfer of the flow variables from the CFD mesh to the FEM mesh. The parameters used for the interpolation between the mesh nodes are calibrated against this criterion. An appropriate choice of time signal length and time step size for a suitable frequency resolution of the pressure signal is presented, too. The following structural-mechanical and vibroacoustic simulations use the excitation variables from the flow as a load. Various boundary conditions of the structural-mechanical model are investigated in this work. Acceleration measurements and airborne noise measurements performed in a hemi-anechoic room are used to validate the model. While the calculated acceleration values on the pump housing are in the range of the measured values, there are strong deviations in the predicted airborne noise. These deviations are caused, among other things, by the discrepancy between the simulation model and the test bench setup. The attachments and hoses on the test bench and the connected hydraulic system are not modeled in the simulation. However, the qualitative change in the noise characteristics due to different excitation variables can be captured by the simulation model. By the use of the model, it is shown that a higher volume fraction of air in the system does not only lead to high excitations of the pump at the blade passing frequencies and its harmonics but also leads to increased amplitudes at additional frequencies. As a result, the blade passing frequency and its harmonics are less dominating in the sound pressure level. Overall, an introduced volume fraction of air in the flow increases the pressure fluctuations and stimulating forces in the system and leads to increased noise radiation of the pump. If the fluid forces that act on the rotor and the forces generated by the wall shear stress are taken into account, it becomes apparent that the largest resulting forces are caused by the hydrostatic working principle and the pressure field that forms in the flow of the investigated pump type. Due to the transition of a displacement chamber from the suction to the pressure port or vice versa, areas of the angular expansion of a displacement chamber on the cam ring are loaded alternately with high and low forces. The pressure surges in the displacement chamber exceeding the system pressure level only have a small proportion of these forces. The main part of the forces arises from the pressure difference between the delivery and suction port. In the final step of this thesis, the effects of a design change that reduces the pressure surge in a displacement chamber are experimentally validated using ramp-ups and sound power measurements. Here, the result from the investigation of the forces in the simulation model is confirmed. A reduced pressure surge does not have a significant effect on the noise characteristics of the pump. Only at high speeds, there is a slight tendency towards improved noise characteristics in the design with reduced pressure surges.
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Hieronymus
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