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A 20-year experience with LMS Amesim: the simulation of positive displacement pumps

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Presentation at the New Trends in Fluid Power - Design & Simulation Symposium, Naples 27 June 2016
by FPRL - Politecnico di Torino

Published in: Engineering
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A 20-year experience with LMS Amesim: the simulation of positive displacement pumps

  1. 1. A 20-year experience with LMS Amesim: the simulation of positive displacement pumps Naples, June 27, 2016 Massimo Rundo Politecnico di Torino – Dipartimento Energia Fluid Power Research Laboratory New Trends in Fluid Power Design & Simulation Symposium
  2. 2. 2/25 FPRL at a glance - 1st course of Fluid Power in Italy (1979) - 1979 - 2016: about 9500 students - From 2014: 2 courses in English at M.Sc. - More than 100 M.Sc. theses - About 100 scientific papers - Development of simulation models of positive displacement machines and valves Research Didactics Laboratory - 1985: construction of the 1st Lab - 2005: completion of the new Lab www.fprl.polito.it 
  3. 3. 3/25 Test facilities LUBRICATING PUMPS TEST RIG PUMPS AND MOTORS TEST RIG SERVOVALVES TEST RIG LOAD SENSING TEST RIG with steering unit and  hydraulic winch CENTRAL  HYDRAULIC UNITSDIDACTIC TEST RIGS OTHER RIGS
  4. 4. 4/25 Industrial research collaborations (from 1996, 13 contracts, for a total of about 12 years)  (from 2000, 9 contracts) (3 contracts) (2 contracts) (2 contracts)
  5. 5. 5/25 The experience with LMS Amesim ‐ Users since 1995 with v0.3  ‐ 1998: 1st international publication on gerotor pump ‐ 2000: presentation at the 1st AMESim Users’ Conference in Paris ‐ Since 2006 used by the students in didactic laboratories ‐ Several customized libraries created in Ameset
  6. 6. 6/25 Systems/components studied with Amesim Detailed 1D modelling of positive displacement machines (with customized libraries) • 1997: Gerotor pumps  • 1999: External gear pumps  • 2000: Swash plate and bent axis pumps, also in cosimulation with MSC Adams (2006) • 2001: Vane pumps, also in cosimulation with MSC Adams (2008) • 2005: Crescent pumps  ‐ Swash plate motors • 2012: Single vane vacuum pumps Vehicle systems • 1999: Variable  Valve  Actuation   ‐ Electro hydraulic braking system • 2002: Lubrication circuit, also aeronautical (2001) • 2004: Clutch actuation   ‐ Steering units Mobile hydraulics • 2001: Hydrostatic  transmissions  • 2006: Load sensing proportional valves • 2011: Excavator and telehandler hydraulic circuits (coupled simulation with LMS Virtual Lab) Industrial hydraulics • 2001: Hydraulic power unit for hydroforming system
  7. 7. 7/257/ Equivalent hydraulic circuit Need to evaluate the geometric features N variable chambers Delivery volume Suction volume Flow areas Flow areas drainInternal leakages J J+1 Gerotor machine Variable chambers The simulation of a positive displacement machine Flow area volume areaarea j‐th chamber • Hydraulic volume: continuity equation • Hydraulic resistance: flow equation
  8. 8. 8/25 The vector approach multistage pump  built using the  supercomponent facility (30 chambers !) MANCO’ S., NERVEGNA N., RUNDO M., et Al. “Gerotor Lubricating Oil Pump for IC Engines”,  SAE Transactions, Journal of Engines 107(3), 1998 flow areas leakages geometric features N variable volume chambers in parallel The number of chambers is a parameter Hydraulic vector lines 1997
  9. 9. 9/25 Numerical evaluation of geometric features Procedure valid for any shape of the port plate: profiles are supplied as XY data table port profile Flow area Numerical technique used to calculate the flow area vs. angle: • Discretization of the domain • Calculation of number of elementary cells belonging to both closed lines • Interpolation of the flow area chamber profile Gerotor pump
  10. 10. 10/25 Automatic CAD method CARCONI G., D’ARCANO C., NERVEGNA N., RUNDO M.: “Geometric Features of Gerotor Pumps: Analytic vs  Cad Methods”, Bath/ASME Symposium on Fluid Power & Motion Control, Sept. 12‐14, 2012, Bath, UK Based on commercial CAD software PTC Creo Elements/Pro (formerly Pro/ENGINEER) 1. Creation of: • Assembly parts • Constraints • Global parameters • Relations (correct movement) 2. Creation of virtual parts (fluid volume): • Chamber volume • Suction / Delivery • Inter-sections 3. Evaluation of geometric quantities: • Analysis features • Relational features • Numerical derivation • Simulation area volume
  11. 11. 11/25 inlet outlet A B Variable flow gerotor pump2000 Early Closing Inlet Port Delayed Closing Delivery Port Timing can be varied with respect to the gearing DCDP The end of the delivery phase is progressively delayed The flow area is also function of the sector position Flow rate vs. sector position NERVEGNA N., MANCO' S., RUNDO M.: “Variable Flow Internal Gear Pump”,  ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, New York, 11‐16 November, 2001 Piston linked to the sector
  12. 12. 12/25 Selection of the control volumes delivery volume variable chambers inlet volume trapped volume constant volumes flow area 3 variable volumes 2N+2 variable volumes Inlet/delivery volumes  include connected  chambers A control volume is  associated to the space  between two teeth and  connected to inlet/delivery  volumes through flow areas delivery phase suction phase Simulated chamber pressure External gear pump inlet volume
  13. 13. 13/25 Model validation Miniature  pressure  transducer chambers inlet outlet geometry driving gear (10 chambers) driven gear (10 chambers) 2005 Model with 2N+2 variable volumes Chamber pressure
  14. 14. 14/25 Internal gear pump modelling The approach with only 3 variable volumes is suitable for the evaluation of the pressure ripple Volume derivatives (analytic expressions)suction volume delivery  volume trapped volume
  15. 15. 15/25 Interaction between bodies (analytic approach) Contact vane‐stator in a vane pump (detachment analysis)  2001 Force equilibrium on each vane: MANCO' S., NERVEGNA N., RUNDO M., ARMENIO G., “Modelling and Simulation of Variable Displacement  Vane Pumps for IC Engine Lubrication”, SAE World Congress, 8‐11 Mar. 2004, Detroit, USA Fr = reaction forces Fp = pressure forces Ff = friction forces Fc = centrifugal force x ( ) ( ) ....mx j cx j   Endstops management (contact with stator track) If contact  evaluation of contact force on the stator  contribution to the stator equilibrium If detachment  evaluation of the leakage on vane tip  influence on the chamber pressures Small movements of mechanical parts  influence on leakages
  16. 16. 16/25 Multibody simulation (fuel pump) fluid viscosity ≈ 2‐3 cSt The issue: the current positions of the gears  axes is critical for the leakages evaluation x y Model in MSC Adams with all clearances: • inner gear – outer gear • inner gear ‐ shaft • outer gear ‐ housing Forces on gears calculated with Amesim 2005 Theoretical eccentricity (not in scale) Amesim output Adams output RIELLO Research Contract, 2006
  17. 17. 17/2517/ Need of cosimulation Floating ring ICE lubricating vane pump Analysis of vane detachment The issue:  interaction vanes‐ring The solution:  cosimulation LMS Amesim – MSC Adams LMS Amesim (master) • User interface • Hydraulic model • Solver MSC Adams (slave) Forces on the vanes Vanes and rings positions • Mechanical model • Solver Communication at constant Δt 2008
  18. 18. 18/25 Adams model by Amesim model  by FPRL without bodies  dynamics Implementation of cosimulation Output example theoretical vane lift calculated  lift Contact force vane root Contact force vane tip Trajectory of ring centre x y Rotor axis (fixed) interface PIERBURG Research Contract, 2008
  19. 19. 19/25 Vacuum pump for brake booster Rundo, M. and Squarcini, R., "Modelling and Simulation of Brake Booster Vacuum Pumps"  SAE Int. J. Commer. Veh. 6(1), 2013 The issue: Fluid mainly air + small % oil   pneumatic chamber … but at the end of the  delivery phase 100% oil   hydraulic chamber Hydraulic‐pneumatic chamber 2012 variable chambers Pump geometry 1c pV x Vc 2 ,p oil airx V V Virtual piston equilibrium Mass conservation ,oil airp p  Force on piston 2 1 ?p px xYES  air + oil NO  only oil oil cV V The equilibrium of the virtual piston adjusts the  volume of air/oil so that  oil airp p Mass conservation ( , , )oil oil c cp f m V V  (purely hydraulic chamber)
  20. 20. 20/25 Model implementation and validation Supercomponent (3 chambers) detail Pneumatic line Hydraulic line Time required to empty  a 4 L test volume of air Hydraulic‐pneumatic chamber
  21. 21. 21/25 Electric heater Speed Measure of lubricating pump energy  Temp.Press. Flow rate Closed loop  control RUNDO M., SQUARCINI R., “Experimental Procedure for Measuring the Energy Consumption of IC  Engine Lubricating Pumps during a NEDC Driving Cycle”, SAE Int. Journal of Engines 2(1), 2009 Pump under test Speed vs. time Temperature vs. time Q = f(p,T,n) Cycle Energy Torque speed dt   2008
  22. 22. 22/25 Simulation and validation of the procedure RUNDO M.: “Energy Consumption in ICE Lubricating Gear Pumps”,  SAE Powertrains, Fuels & Lubricant Meeting, 25‐27 Oct. 2010, San Diego, USA NEDC cycle Friction data interpolation Load characteristic (pressure signal  from data table) Gears: chambers, porting, leakages increasing temperature
  23. 23. 23/25 1D simulation of lubricating circuit lubrication of each cylinder: • main bearing • piston cooling jet • crankshaft drilled holes • conrod bearing SINGLE OVERHEAD CAMSHAFT DIESEL ENGINE  2003 Circuit layout Load on the  bearings (supplied as data file) FURNO F., RUNDO M.: “Simulazione del sistema di lubrificazione di un motore a combustione interna”,  58° Congresso Nazionale ATI, Padova ‐ S. Martino di Castrozza, Italy, 9‐12 September, 2003
  24. 24. 24/25 Overall flow‐pressure curve Validation: flow rates and pressures 140 °C Oil pump outlet Main gallery Head gallery 90 °C 140 °C90 °C FURNO F., “The Lubrication Network in Internal Combustion Engines: a Simulation Approach”,  3rd FPNI PhD Symposium, Terrassa, Spain, 30 June – 2 July, 2004. continuous lines: simulation dots: experimental values
  25. 25. 25/25 Some final remarks / curiosities • First model of gerotor pump in 1997 ran on a Sun SparcStation 10 @ 50 MHz ‐ 96 Mb RAM  About 2‐3 minutes to simulate a shaft revolution  Now about 2 seconds : 2 orders of magnitude smaller !! • In 1997 an entire month spent for the development of the model of a simple relief valve (at that time the Hydraulic Component Design Library in Amesim did not exist !)  Now the same valve is built in 30 min by the students of the Fluid Power courses • The nightmare : When you realize that your model no longer runs on the new release of a software !! 
  26. 26. Fluid Power Research Laboratory www.fprl.polito.it Politecnico di Torino

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