Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung miniaturisierter Schaltventile mit Stoßantrieb

Abstract

In dieser Arbeit wird eine systematische Methodik zur grundlegenden Untersuchung von Stößen mit und ohne Fluid und zur Simulation stoßbetriebener Schaltventile vorgestellt. Der Kerngedanke eines stoßbetriebenen Schaltventils besteht darin, mit einem Aktor eine hohe Kraft in kurzer Zeit zu erzeugen, die eine dünne Gehäusewand bzw. eine fest eingespannte Platte verformt und eine Kugel im Ventil bzw. auf der anderen Plattenseite durch einen Stoß beschleunigt. Diese Kugel wechselt dann im Ventil ihre Position. Dabei ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung, welcher die kinetische Energie der inneren Kugel nach dem Stoß bestimmt, besonders wichtig, um robustes Umschalten zu ermöglichen.

Es wird in einem mehrstufigen Prozess die Simulation des Stoßvorgangs ermöglicht. Zunächst wird anhand eines vereinfachten, vergrößerten Modells durch Experimente der Wirkungsgrad der Stoßübertragung unterschiedlicher Materialkombinationen und Geometrien bestimmt. Mit diesen Ergebnissen werden nichtlineare Finite-Elemente-Modelle desselben Modells unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle verglichen und validiert. In einem dritten Schritt wird ein elastisches Mehrkörpermodell erstellt und mit Hilfe der Simulationsergebnisse der Finite-Elemente-Simulation validiert. Dieses Modell dient dann der Simulation der Stoßvorgänge und auf Grund der extrem geringen Rechenzeiten der Durchführung von Parameterstudien und der Optimierung des Wirkungsgrades. Dadurch können viele Erkenntnisse gewonnen werden, die der Entwicklung neuer Ventilvarianten dienen. Beispielsweise wird sich herausstellen, dass die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Platte mindestens halb so groß wie die Stoßdauer sein sollte, dass die Elastizitätsmodule der Kugeln möglichst hoch sein sollten und der E-Modul der Platte möglichst gering. Außerdem sollte die Platte möglichst dünn und die Oberfläche der Stoßkörper möglichst wenig gekrümmt sein.

Für die Untersuchung des Fluideinflusses auf den Stoß wurde das Finite-Elemente-Modell der Platte im elastischen Mehrkörpermodell durch ein Modell ersetzt, welches die Wechselwirkung der Platte mit einem umgebenden Fluid beschreibt. Damit können dann die Experimente, die mit Fluid durchgeführt wurden, verglichen werden. Dabei ist die Auswertung der Ergebnisse mit Fluid nicht direkt möglich, denn es müssen einige Effekte kompensiert werden, die der Brechungsindex des Fluids direkt auf die Messung hat. Es zeigt sich dann aber, dass die Ergebnisse gut überein stimmen. Des Weiteren zeigt sich, dass der Stoß nicht von der Viskosität des Fluids, sondern lediglich von dessen Dichte abhängt.

Der Einfluss der Viskosität spielt jedoch eine Rolle, wenn zu Beginn des Stoßes ein kleiner Spalt zwischen der Platte und der Kugel ist und unmittelbar nach dem Stoß, wenn sich die Kugel von der Platte entfernt und Fluid nachströmen muss. Dazu wurde ein Simulationsmodell zur Berechnung des Squeeze-Film-Effekts entwickelt und in das elastische Mehrkörpermodell integriert. Für die Bewegung der Kugel während des Umschaltvorgangs im Ventil wurden CFD-Simulationen mit der ALE-Erweiterung zur Beschreibung der Netzverformungen unter mehreren Methoden als beste befunden und verwendet. Damit stellt man fest, dass der Einfluss von Wasser auf die Kugelbewegung recht gering ist und das Umschalten kaum behindert. Öl hingegen bremst die Kugel stark ab, so dass robustes Umschalten nicht mehr sichergestellt werden kann.

Durch Messungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kann außerdem das Verhalten eines Prototypen beobachtet und es können Vermutungen aus der Simulation bestätigt werden. Darauf aufbauend wurde ein verbessertes Konzept dieses Prototyps vorgeschlagen.

In this work, a systematic methodology for the detailed investigation of impacts with and without the influence of fluids is presented in order to simulate impact actuated shift valves. The functional principle of an impact actuated shift valve is, that an actuator creates a high force in a short time on the casing of the valve, or the fixed plate in the simplified case. The fixed plate hits a sphere on the other side and accelerates it, so that the sphere can switch its position. In this process, the efficiency of the energy transmission or the kinetic energy of the inner sphere is very important in order to achieve robust switching.

The simulation of the impact is made possible using a multi-stage process. At first, a simplified scaled-up model is created and investigated in experiments which determine the efficiency of the impact transmission of different materials and geometries. With these results, a nonlinear finite element model using nonlinear material laws is tested and validated. An elastic multibody model is created in the third step, using the simulation results of the previously validated finite element model. This simulation model is used now to simulate the impacts and can be used, due to its extremely low computational time, to perform parameter studies and optimise the efficiency. Thereby, much insight is gained which is needed for the development of new valve designs. For example, the period of the first eigenfrequency of the plate should be at least twice the contact time, the elastic modulus of the spheres must be as high as possible and the elastic modulus of the plate should be as low as possible. Furthermore, the plate should be as thin as possible and the surface of the impacting bodies should be curved as little as possible.

For the investigation of the influence of fluids on the impact, the finite element model representing the plate in the elastic multibody model is replaced by a model which contains the interaction of the plate with the surrounding fluid. With this model, the experimental results with fluids are compared. The experiments with fluids cannot be evaluated directly because the refractive index of the fluid influences the experimental method; therefore, the evaluation method must compensate for these influences. It is found that the results are in good agreement and the viscosity of the fluid does not influence the impact but its density does.

The influence of the viscosity plays a role if there is a gap between the plate and the inner sphere before impact. To investigate this influence, a simulation model which is based on the squeeze-film effect is developed and integrated in the elastic multibody model. For the movement of the sphere in the valve during the shifting process, CFD-simulations using the ALE-extension are selected from different methods as best choice. Using this, it is found that the influence of water on the movement of the sphere is comparatively small and switching is only affected marginally. Oil, however, decelerates the sphere much more so that robust switching cannot be ensured any more.

Using measurements with a high-speed camera, the behaviour of a prototype could be observed and a presumption from simulation results could be proven. Based on that, an improved design of this prototype is presented.