Development of a Variable Roller Pump and Evaluation of its Power Saving Potential as a Charge Pump in Hydrostatic Drivetrains

Predložená doktorandská dizertačná práca (ďalej len práca) sa zaoberá rozsiahlou analýzou valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom a predikciou výkonových úspor dosiahnutých aplikáciou navrhnutého valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom v hydrostatickom pohone vybraných mobilných pracovných strojov. Teoretický rozbor princípov fungovania valčekového hydrogenerátora a teória jednorozmerného simulačného modelu sú popísané v prvej časti práce. Na základe odvodenej teórie je vytvorený simulačný model, ktorý je vhodný na predikciu priebehu tlaku v komorách valčekového hydrogenerátora, síl pôsobiacich na valček a na predikciu vnútorných únikov vzniknutých skratovaním rozvodovej dosky, ktoré majú priamy vplyv na objemovú účinnosť valčekového hydrogenerátora. Simulačný model bol úspešne použitý pre optimalizáciu rozvodových dosiek valčekového hydrogenerátora a vhodnosť simulačného modelu potvrdili následné merania Práca obsahuje aj analýzu síl pôsobiacich na vodiaci prstenec, ktorej výsledky boli taktiež potvrdené meraním. Analýza týchto síl môže vylepšiť v konečnom dôsledku parametre budúcich tlakových regulácii. Práca ďalej obsahuje základné porovnanie použitých tlakových regulácii. Všetky uskutočnené merania potvrdili, že valčekový hydrogenerátor s premenlivým geometrickým objemom s testovanými tlakovými reguláciami je schopný úspešne pracovať v hydrostatickej prevodovke. Druhá časť práce analyzuje potenciál výkonových úspor valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom pre dve mobilné aplikácie - teleskopický nakladač s hmotnosťou 9 ton a kombajn s hmotnosťou 20 ton. Analýza vyžaduje jednorozmerný simulačný model hydrostatického pohonu s teplotnou predikciou hydrostatickej prevodovky. Dva rozdielne koncepty variabilného doplňovacieho systému hydrostatickej prevodovky sú porovnané so štandardným doplňovacím systémom pre pracovný a transportný režim oboch vybraných typov vozidiel. Simulácia pohonu vozidla s valčekovým hydrogenerátorom s premenlivým geometrickým objemom vo funkcii doplňovacieho hydrogenerátora a obtokovou clonou potvrdili vyššie úspory iba v prípadoch, kedy rýchlosť doplňovacieho hydrogenerátora bola výrazne vyššia a prietok cez obtokovú clonu do skrine hlavného hydrogenerátora zabezpečil dostatočné chladenie. Najvyššie výkonové úspory boli dosiahnuté s premenlivým preplachovacím systémom, ktorého prietok sa menil podľa požiadaviek hydrostatickej prevodovky. Záver druhej časti práce sa zaoberá metodikou dimenzovania veľkosti doplňovacieho hydrogenerátora.Presented doctoral thesis deals with an extensive hydraulic variable roller pump analysis and the power saving prediction of hydrostatic drivetrains in the mobile machines achieved with a variable roller charge pump implementation. At the first part of the work, the roller pump functionality was described and the theory of a 1-D simulation model was developed. Based on this developed simulation model is suitable for pressure profile prediction, roller force prediction and cross port leakage prediction which has a direct impact on the total volumetric efficiency. The simulation model was successfully used as a tool for optimization of the port plates, which was confirmed by measurements. The first part of the work includes the pump control force analysis validated by measurements and also the basic pressure compensator controls comparison. Developed control force prediction could help to improve the control performance. The measurements confirmed that the variable roller charge pump is able to successfully work in transmissions with measured types of the control. The second part of the work analyzed the power saving potential of a variable charge pump for two selected typical mobile applications: telehandler (9 ton) and combine harvester (20 ton). This part required a 1-D drivetrain simulation model together with thermal behaviour of the hydrostatic transmission. Two different modifications of the charging systems were compared with the conventional charging system in simulations performed for the working and transporting mode. The drivetrain simulation of the variable roller charge pump with a bypass orifice confirms higher power savings only in cases when the pump speed was significantly higher than normal speeds and a relatively constant flushing flow through the bypass orifice to the pump case still ensures suitable cooling. The highest power savings were achieved with variable flushing flows, where the demand for charging flow was adjusted according to the hydrostatic transmission cooling requirements. At the end of the second part, this thesis deals with a variable charge pump sizing.

Modeling and Simulation of Mobile working machine Powertrain

Táto diplomová práca sa zaoberá vytvorením dynamického modelu mobilného pracovného stroja. Ciežom práce je vytvorenie blokového modelu pohonu štvorkolesového mobilného pracovného stroja. Model hydrostatického prevodu bol dodaný firmou Sauer-Danfoss. Model mobilného pracovného stroja bol vytvorený v programe MATLAB-Simulink. Dalšou časťou práce je výber typu riadenia hydrostatického prevodu a návrh riadiaceho algoritmu hydrostatického prevodu. Výstupom práce je blokový matematicko-fyzikálny model pohonu štvorkolesového mobilného pracovného stroja spolu s riadiacim algoritmom hydrostatického prevodu v prostredí MATLAB-Simulink.This thesis deals with dynamic model creation of four wheel drive mobile working machine. The goal of the thesis is to create powertrain model of mobile working machine. The hydrostatic transmission part of the model was supplied by the Sauer-Danfoss company. The model of mobile working machine was created in MATLAB-Simulink environment. The thesis is also devoted to selection of hydrostatic transmission control type and design of control algorithm. An output is mathematical and physical powertrain model of four wheel drive mobile working machine with hydrostatic transmission control algorithm in MATLAB-Simulink environment.

Modeling and Simulation of Mobile working machine Powertrain

Táto diplomová práca sa zaoberá vytvorením dynamického modelu mobilného pracovného stroja. Ciežom práce je vytvorenie blokového modelu pohonu štvorkolesového mobilného pracovného stroja. Model hydrostatického prevodu bol dodaný firmou Sauer-Danfoss. Model mobilného pracovného stroja bol vytvorený v programe MATLAB-Simulink. Dalšou časťou práce je výber typu riadenia hydrostatického prevodu a návrh riadiaceho algoritmu hydrostatického prevodu. Výstupom práce je blokový matematicko-fyzikálny model pohonu štvorkolesového mobilného pracovného stroja spolu s riadiacim algoritmom hydrostatického prevodu v prostredí MATLAB-Simulink

Modelling and Simulation of a Cartridge Pressure Amplifier

Hydraulic pressure amplifiers of the cylinder type are much appreciated in hydraulic systems where high pressure work is needed only for a limited period of time, while during the remaining duty cycle the system operates at a standard level of pressure. The use of these elements allows the designer not to oversize the system, which will perform the work with a considerable power saving, confining the high pressure operation only on the side of the hydraulic cylinder. This works describes the modelling and simulation of a compact cartridge pressure amplifier for linear actuators. The cartridge amplifier is able to double or more the pressure in the system when needed and to not interfere during normal operation of the system. It has been designed to fit in the narrow space of the rod of normal hydraulic cylinder, being extremely compact and efficient. Designing such a component and the study of the main design parameters influence have required a strong work of modelling and simulation, performed with a lumped parameters approach to depict the dynamic behaviour of the amplifier. This work illustrates the building of the model and a first comparison between simulated and experimental data. Moreover, the simulation activity is enlarged to analysis of the influence of some operating and design parameters on the amplifier dynamic behavio

DESIGN AND MODELLING OF A CARTRIDGE PRESSURE AMPLIFIER

This works describes the modelling and simulation of a compact cartridge pressure amplifier for linear actuators, especially designed to fit within the rod of the piston. Hydraulic pressure amplifiers of the cylinder type are appreciated in hydraulic systems where high pressure work is needed, especially for a small part of the overall duty cycle. The use of these boosters allows the designer not to oversize the system, which will perform confining the high pressure operation only on the side of the hydraulic actuator. Starting from a previous research work on the same topic, this work proposes new designs for the cartridge amplifier to explore the influence of the control valve, which is the responsible for the delivering of the fluid to the amplifier. The new designs are discussed and then the results coming from the simulation performed with a lumped parameter model in a virtual test rig are shown. The operation of the amplifier is then applied to a more realistic duty cycle to illustrate and validate its operation