Variable Displacement Pump Design Optimization

Abstract

Energy efficiency and good vehicle dynamics are two of the main focus areas for passenger car drive systems. A central component in BorgWarner’s torque transfer products is a multi-plate clutch which is actuated by pressurized oil from a hydraulic axial-piston pump. One way to reduce the energy consumption and improve the performance of the pump is to let the displacement of the pump vary depending on the outlet pressure.
Physical testing on a prototype of a variable displacement pump have shown undesirable ripples in the pump pressure and a high sound level. The goals of this project are to reveal the causes for the pressure ripples and sound generation that are present in the current prototype and to improve the pump design so that the unwanted ripples and noise are reduced.
In order to find the underlying causes, test data from sound and pressure meas-urements are analyzed. The frequencies contained in the pump sound are studied using Fourier transformation. The analysis shows that major sound peaks are present at frequencies that are a multiple of the piston pass frequency, that is, the number of pistons times the base rotational frequency.
A computational model of the pump is developed and implemented in Simulink. The model considers the compressible properties of the fluid. From simulations on the model it becomes clear that the pump sound is originating from the pressurization and depressurization of the cylinder chambers. Furthermore it is seen that the pressure ripples are a result of flow variations due to large swash plate oscillations when the displacement is varied.
In order to reduce the pressure ripples and sound level of the pump, a multi-objective optimization is carried out on the pump model. The objectives are to reduce the cylinder chamber pressure transients and cylinder flow variations. The optimization concludes that it is possible to both reduce the flow variations and improve the cylinder pressurization by optimizing the valve plate port angles and the position of the pivot axis of the swash plate.

Abstract (Swedish)

Hög energieffektivitet och god fordonsdynamik är två av de viktigaste fokusområdena för drivsystem i personbilar. En central komponent i BorgWarner:s produkter för momentöverföring är en lamellkoppling som regleras med hjälp av trycksatt olja från en hydraulisk axialkolvpump. Ett alternativ för att reducera energiförbrukningen och samtidigt förbättra pumpens prestanda är att variera pumpens deplacement beroende av det aktuella pumptrycket.
Testning på en prototyp av en pump med variabelt deplacement har visat att det förekommer oönskade variationer i pumpens tryck och en hög ljudnivå. Målsätt-ningen med detta projekt är att fastställa orsakerna till tryckvariationerna och vad som ger upphov till ljudet i prototypen, och att förbättra pumpdesignen så att dessa oönskade egenskaper reduceras.
För att hitta de bakomliggande orsakerna analyseras data från tryck- och ljudmät-ningar. Frekvenserna i pumpljudet studeras genom att fouriertransformera ljudin-spelningarna. Denna analys visar att de huvudsakliga ljudtopparna förekommer vid frekvenser som är en multipel av kolvfrekvensen, det vill säga antalet kolvar gånger pumpens rotationsfrekvens.
En beräkningsmodell för pumpen, som tar hänsyn till de kompressibla egenskap-erna hos oljan, härleds och implementeras i Simulink. Simuleringar av modellen klargör att pumpljudet har sitt ursprung i trycksättningen av cylindrarna. Det kan också ses att tryckvariationerna är en följd av de variationer i cylinderflödet som uppstår på grund av vibrationer i vickskivan vid deplacementsändringar.
För att minska tryckvariationerna och ljudnivån i pumpen utförs en parameterop-timering på pumpmodellen. Målfunktionerna är att minimera transienterna i cylindertrycket och variationerna i cylinderflödet. Optimeringen visar att det är möjligt att reducera flödesvariationerna och förbättra trycksättningen av cylindrarna genom att ändra ventilskivans portvinklar och flytta positionen för vickskivans rotationsaxel.

• author: Järpedal, Anders
• supervisor: Johan Revstedt; Marcus Thern
• organization: Department of Energy Sciences
• alternative title: Designoptimering av pump med variabelt deplacement
• course: MVK920 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Axial-piston pump, Variable displacement, Flow ripple, Noise, Compressible flow model, Design optimization
• report number: ISRN LUTMDN/TMHP-16/5374-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 8885357
• date added to LUP: 2016-06-28 11:41:38
• date last changed: 2016-06-28 11:41:38