Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung miniaturisierter Schaltventile mit Stoßantrieb

In dieser Arbeit wird eine systematische Methodik zur grundlegenden Untersuchung von Stößen mit und ohne Fluid und zur Simulation stoßbetriebener Schaltventile vorgestellt. Der Kerngedanke dieser Ventile 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 besonders wichtig, um robustes Umschalten zu ermöglichen.

Es wird ein Simulationswerkzeug zur Untersuchung trockener Stöße vorgestellt, um wichtige Zusammenhänge zu analysieren. Daraus werden Vorgaben für die Konstruktion gemacht, nach denen hohe Wirkungsgrade von über 90% möglich sind. Dabei werden sowohl effiziente elastische Mehrkörpersysteme, als auch nichtlineare Finite-Elemente-Simulationen verwendet und mit Experimenten validiert.

Das Simulationswerkzeug wird zur Stoßsimulation unter Fluideinfluss erweitert. Die Viskosität einer Flüssigkeit beeinflusst den Stoß nicht, die Dichte des Fluids hingegen beeinflusst ihn sehr stark. In den untersuchten Fällen sinkt der Wirkungsgrad beim Stoß durch das Fluid um etwa 20 Prozentpunkte. Auch hier werden die Ergebnisse mit Experimenten validiert.

Es werden für die Konstruktion grundlegende Zusammenhänge vorgestellt. An einem Prototyp werden durch Messungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Vermutungen aus der Simulation bestätigt und ein verbessertes Konzept vorgestellt.

Durch eine CFD-Simulation des Umschaltvorgangs wird die abbremsende Wirkung von Öl und Wasser untersucht. Demzufolge ist der Einfluss bei Wasser unproblematisch und bei Öl sehr groß.