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Die Vielfalt tribologischer Systeme in der Antriebstechnik

Simulationstechnik und Anwendungen

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       Theorie, Features, Applikationen

       Berücksichtigung von Schmierfilmsteifigkeit und Dämpfung

 

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Menü

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Simulation thermo-elasto-hydrodynamisch gekoppelter Mehrkörpersysteme

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  • Strukturdynamik elastischer Mehrkörpersysteme (EMKS)

  • Nichtlineare Koppelelemente und hydrodynamische Schmierfilme

  • Energetische Kopplung von Schmierfilmdissipation, Wärmeleitung und thermischen Deformationen

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Applikation:

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  • Auslegung, Schwachstellenanalyse, Optimierung tribologischer Systeme

  • Strukturdynamik, Akustik

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Theoretischer Background

  • Hydrodynamische Schmierungstheorie

  • Reynolds‘sche DGL. rauer Oberflächen

FIRST

FIRST
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Druck-Scher-flussfaktor-blank.png

  • Tribologische Berücksichtigung rauer Oberflächen

    • Mikrohydrodynamik, Flußtensoren Patir/Cheng  

Druckflussfaktor

Scherflussfaktor

Konturdruckmodell_Halbraum-blank.png

  • Kontaktdruckmodell rauer Oberflächen 

    • elastischer Halbraum nach Boussinesq  

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Neu

run in

Laufspiegel

nominelle Spaltweite h*

Schmierfilmtemp_2dimEnergiegleich-blank.

  • Thermo-Elasto-Hydrodynamik

    • Lösung der Wärmeleitung in Körpern → Körpertemperaturen

    • Lösung der Energiegleichung im Schmierfilm → Filmtemperatur

    • Energetische Kopplung inklusive hydrodynamischer Dissipation

    • Berechnung der thermischen Bauteildeformationen

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Schmierflimtemperatur: 2-dim. Energiegleichung

Druck

Ölfilmtemperatur

Pleueltemperatur

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  • Mehrkörperdynamik elastischer Körper (Kräfte und Verschiebungsgrößen u )

    • Newtonsche Bewegungsgleichung unreduziert

    • Modellreduktion             

    • Modale Ansatzvektoren

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  • Energiegleichung der Festkörper (Temperaturverteilung)

    • Wärmeleitungsgleichung unreduziert

    • Modellreduktion

    • thermische Ansatzvektoren

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  • Thermische Deformation
    der reduzierten Strukturen

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Features:

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  • Problemspezifische Modelltiefe der Tribosysteme

    • Schnelle Kennfeldlösungen, starre Hydrodynamik,
      Elasto-Hydrodynamik, komplexe Thermo-Elasto-Hydrodynamik

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  • Mischreibungsmodelle

    • Trag- und Reibungskräfte

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  • Verschleißmodelle

    • Iterative Berechnung von Verschleißkonturen

    • Realistische Reibungsverluste nach Einlauf

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  • Gekoppelte Ölversorgung von Tribosystemen

    • energetische optimierte Pumpenauslegung

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  • Rechenzeitoptimierung

    • Speedup durch Parallelisierung

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  • Akustik

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Hydrodynamik

Festkörper-Kontakt

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  • Allgemeine Metrik für Gleitraumgeometrie

    • Zylinder, Kegel, Kugel, Torus, Ebene

    • kombinierte Radial-/Axiallager, U-Shape Lager

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  • Rotordynamik

    • Radial-/Axiallager mit festen und kippbeweglichen Segmenten

    • Schwimmbuchsenlager

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  • Effiziente Modellgenerierung und Ergebnisauswertung

    • Pre- und Postprocessor, Templates

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  • Schnittstellen

    • FEM: Abaqus, Ansys, Nastran, Permas

    • Hydraulik  DSHplus, SimulationX

    • Wälzlager BearinxMap

 

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Einlauf- und Verschleißsimulation

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  • Energetisches Verschleißmodell

  • Auswirkung von Einlaufverschleiß auf Mischreibung und Reibung

  • Prognose positiver bzw. kritischer Verschleißprozesse

  • EHD-Simulation rauer Oberflächen mit Mischreibungskontakt

FIRST_Wear

WEAR
EHD-Verschleisssimulation_blank.png

EHD-/Verschleißsimulation

Tribo-mechanische Beanspruchung

  • lokale Reibleistung

Verschleißberechnung

  • lokaler Verschleiß

  • Gleitweg

,  Zeitschritt

  • Knotenbezogene Konturkorrektur

  • Kennfeld-Aktualisierung

    • Kontaktdruck, Flußtensoren​

nein

Abbruchkriterium

ja

Nockenwellenlagerung-Lagerspiel_blank.pn
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  • Prüfstands- und Simulationsergebnisse einer Nockenwellenlagerung

    • Komponentenprüfstand Nockenwellenlagerung

      • dynamische Lastkollektive

      • Meßtechnik, Reibmoment,  Kontaktspannung

    • Laufspiegel nach Einlauf

Lager A

Lager B

Lager C

Last

Antrieb

Messung                                         Simulation

  • ​Ablauf Verschleißsimulation

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       Druckentwicklung infolge Hydrodynamik

       und Kontaktdruck in Abhängigkeit

       vom Einlaufverschleiß

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Verschleisssimulation_Gesamt-Kontaktdruc

Lager A

Lager B

Lager A

Lager B

Gesamtdruck

Kontaktdruck

max. Gesamt- und Kontaktdruck

Entwicklung Reibmomente_blank.png

Reibminderung durch Verschleiß

Messung und Simulation

  •  Entwicklung des Reibmomenten
     über dem Einlaufprozeß

 

Vergleich Messung / Simulation

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Lager B

Antriebsmoment [Nm]

Lager A

Zeit [h]

Referenzen:

 

G. Knoll, A. Boucke, A. Winijsart, A. Stapelmann, P. Auerbach: Reduction of Friction Losses in Journal Bearings of Valve Train Shaft by Application of Running-in Profile, Tribologie und Schmierungstechnik 2016

 

Boucke, A., Knoll, G., Umbach, S., Winijsart, A.: Auslegung von Nockenwellen-Gleitlagern unter Berücksichtigung des Einlaufverschleißes, Ventiltrieb und Zylinderkopf 2015 : 6. VDI-Fachtagung ; Würzburg, 23. und 24. Juni 2015; VDI-Berichte Band 2240, 2015

Dynamik

DYNAMIK

Strukturdynamik eines Hubkolbenkompressors

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Identifikation von Anregungsmechanismen auf Basis

von MKS-Modellen unterschiedlicher Modelltiefe

  • Identifikation von Optimierungspotentialen der Struktursteifigkeit und Massenverteilung

  • Auswirkung von Federsteifigkeit und Dämpfung der Tribokontakte auf die Struktudynamik

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  • MKS-Model​​

     Elastische Körper

 

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Strukturdynamik_Tribokontakt_blank.png

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  • Tribokontakt

 

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EHD-Lager zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfführung

Hydrodynamisches Hauptlager
Impedanz Pleuellager

Kopplung Kolben und Zylinder

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  • Modalanalyse

    • Vergleich Messung / Simulation

    • Reduktion der Schwingungen durch konstruktive Maßnahmen

 

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Strukturanalyse_Modal-Version1-Basis.png

Version 1

-Basis

Strukturanalyse_Modal-Version2-optimiert

Version 2

-optimiert

Referenzen:

 

G. Knoll, A. Boucke, A. Winijsart, A. Stapelmann, P. Auerbach: Reduction of Friction Losses in Journal Bearings of Valve Train Shaft by Application of Running-in Profile, Tribologie und Schmierungstechnik 2016

 

Boucke, A., Knoll, G., Umbach, S., Winijsart, A.: Auslegung von Nockenwellen-Gleitlagern unter Berücksichtigung des Einlaufverschleißes, Ventiltrieb und Zylinderkopf 2015 : 6. VDI-Fachtagung ; Würzburg, 23. und 24. Juni 2015; VDI-Berichte Band 2240, 2015

Rotordynamik

Rotordynamik
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Stabilitätsverhalten von Turboladern

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Die Rotordynamik von Abgasturboladern wird maßgeblich durch das nichtlineare Verhalten der Schwimmbuchsenlager bestimmt. Zur Ermittlung der harmonischen und subharmonischen Schwingungen sowie der Stabilitätsgrenzen werden Simulationstechniken eingesetzt, die das Gesamtsystem - bestehend aus Rotor, Verdichter- und Turbinenrad - als elastische Körper abbilden und mit den nichtlinearen inneren und äußeren Schmierfilmreaktionen der Schwimmbuchse koppeln.

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  • Modelltiefe

    • MKS-System mit elastischem Rotor und elastischen Pumpen- und Turbinengehäuse

    • Thermische Deformationen

    • Effiziente kennfeldbasierte energetische Kopplung von dissipativen Verlusten und Schmierfilmtemperatur

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  • Zapfen- und gehäuseseitige Druckverteilung  der Schwimmbuchse

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Rotordynamik_Drehzahlhochlauf_blank.png

  • Drehzahlhochlauf​

    • Zapfen- und gehäuseseitige Verlagerungsbahn

    • Subharmonische und absolute Instabilität

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Turbinenseite

innen

außen

Verdichterseite

Drehzahlhochlauf

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-Amplitudenfrequenzgang

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Referenzen:

 

Knoll, G., Schweizer, B., Backhaus, K., Schmid, U. und J. Lang, „Mehrkörperdynamische Modellierung von Full Floating Schwimmbuchsenlagern“, Tribologie-Fachtagung der GfT, Göttingen, 2007

 

Knoll, G., Seemann, W., Proppe, C., Koch, R., Backhaus, K. und A. Boyaci. „Hochlauf von Turboladerrotoren in nichtlinear modellierten Schwimmbuchsenlagern“ otortechnische Zeitschrift 2010-04

 

Knoll, G. und K. Backhaus. „Stability Behaviour of Exhaust Turbochargers with Full Floating Bush Bearings“. Virtual Powertrain Creation 2010 ,12. Internationale MTZ-Fachtagung

 

Backhaus, K. und G. Knoll. „Gleitlagerdesign im Abgasturbolader“, 2. Györer Tribologietagung , 4-5. Juni 2012

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Wind

WIND
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Hydrodynamische Gleitlager in Windenergieanlagen

 

  • Problemstellung

    • Tribologische Beanspruchung 

    • kombinierter Radial-/Axial-Lager 

    • Funktionsoptimierung durch konstruktive Maßnahmen

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  • Modellbildung

    • Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung

    • Einlaufverschleiß

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​Rotor-Hauptlager

​Planetenradlager

Aplikationen

 

  • Rotor-Hauptlager

    • EHD-Modellbildung hydrodynamisches Momentenlager

    • dynamische Windlasten

    • Designoptimierung für reduzierten Bauraum, austauschbare elastische Lagersegmente für optimale Wartung​

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  • Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Planetenradlagerung

    • kombinierte Radial- / Axial-Lagerung

    • Einlaufverschleiß und tribologische Beanspruchung

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Pressungsverteilung Neuzustand

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Pressungsverteilung nach Einlauf

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Einlauf - Kontur

WIND_FIRST-Wear-Verschleissiteration_Ein

FIRST_Wear Verschleißiteration

max. Kontaktdruck GS

max. Kontaktdruck RS

min. Ölfilmdicke GS

min. Ölfilmdicke RS

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  • Thermo-Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Abtriebsstufe

    • Druck- und Temperaturverteilung in Schmierfilm und Lagerstruktur

    • Deformations- und Temperaturberechnung mittels Modellreduktion durch
       modale und thermische Ansatzvektoren​

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WIND_Thermo-Elasto-Hydro-Dynamische-Anal

Druck

Temperatur

Referenzen:

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J. Lang, G. Knoll, J. Hölzl, T. Schröder, D. Bosse, G. Jacobs,

EHL simulations of hydrodynamic bearings in wind turbines,

Conference for Wind Power Drives, Aachen 2019

FIRST-FMI für hydraulisch gekoppelte Tribosysteme 

FMI
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FIRST Functional Moc-up Interface (FMI)

Kopplung von 2D Reynolds DGL und 1D Hydrauliknetzwerk

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  • Features

    • Kopplung 2D/1D über Fluss- oder Druckrandbedingungen

    • Bewegtes Leitungssystem mit Trägheitseffekten (Fliehkraft)

    • Pumpencharakteristik und hydraulische Stellglieder

    • hydraulische Verluste und Fluiddynamik

    • Gekoppelte EHD/EMKS-Simulation mit masseerhaltender

    •  Kavitationsmodell  -Füllungsgrad

 

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  • Applikationen

    • Energetisch bedarfsgerecht optimierte Ölversorgung und Pumpenauslegung

    • Parallel- und Reihenschaltung der Ölversorgung von Tribosystemen

    • Detektierung von Mangelschmierung

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  • Modellbildung

    • Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung

    • Einlaufverschleiß

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  • ​Gekoppelte Ölversorgung von Grund- und Pleuellager

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  • Schaltfunktion  VCR Kurbeltrieb

    • Kolbenbolzenlagerung / Bewegungsablauf

    • EHD-Modell mit Mischreibungkontakt

    • Schaltdrücke und Volumenstrom des Pleuellagers

    • gekoppelte Ölversorgung Grund- / Pleuellager

    • Zielgröße: Druckversorgung Schaltzylinder

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  • Axialkolbenpumpe mit variabler Verdrängung

    • EHD/EMKS-Modellbildung

    • Tribokontakte: Kolben/Zylinder, Kugelgelenk, Gleitschuh

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  • Zielgrößengrößen

    •  tribologische Beanspruchung, Hydrodynamik,  Mischreibung, Reibleistung, Verschleiß

    •  Öldurchsatz, Leckage

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Referenzen:

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Knoll, G. and K. Backhaus. “Oilflow interaction of engine bearings.” Proceedings of the STLE/ASME International Joint Tribology Conference IJTC2008 October 20-22, 2007, Miami, Florida, USA IJTC2008-71036

 

Backhaus, K. und R. Schönen. „Gekoppelte Ölversorgungsberechnung der Kurbelwellenlagerung mit FIRST und DSHplus“, Fluidon Conference 2011

 

Rienäcker, A. und Backhaus, K.: „Low Friction Powertrain: Energetisch optimierte Ölversorgung von Tribosystemen im Verbrennungsmoto“r. FVV-Forschungsvorhaben Nr. 983, Abschlussbericht, 2013

 

Backhaus, K. „Hydraulische Kopplung mit DSHplus Ölversorgung Grund-/ Pleuellager“, FIRST User Conference Aachen, 2012, 2014 und Fluidon Conference 2015

 

Backhaus, K. FIRST “Functional Mock-Up Interface (FMI) for Hydraulic System Components Interface to DSHplus and SimulationX” , FIRST User Conference Aachen, 2017

 

Backhaus, K . und U. Grätz  „FIRST Hydraulic Coupling with SimulationX Using FMI Standard”, ESI SimulationX Conference 2018

Kippsegmentgleitlager für Hochdrehzahlanwendungen

Kippsegment-GL

Kippsegmentgleitlager besitzen in einem breiten Betriebsbereich optimale Eigenschaften in Bezug auf Tragfähigkeit,
Feder- und Dämpfungseigenschaften sowie Reibungsverlusten.

Die simulationstechnische Auslegung stellt jedoch an die Gleichgewichtsiteration von Druckverteilung und Kippwinkelstellung sowie Deformation derKippsegmene besondere Anforderungen. Die MKS-Modellbildung bietet hier optimale

Voraussetzungen.

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  • Radialkippsegment-Gleitlager

      Analyse der Ergebnisgüte von EHD- und TEHD-Simulationsmodellen
      durch Vergleich mit Prüfstandsversuchen 

Norix-Gleitlager

Main-Metall

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MKS-Basismodell:

2-fach gelagerter elastischer Rotor mit

elastischen  Radial-Kippsegmenten

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MKS-Basismodell.jpg

EHD-Modell

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  • energetische Kopplung der dissipative

      Energieumsetzung im Schmierfilm

      auf Basis mittlerer Temperatur und

      Wärmetransport nach DIN

      und Viskosität

EHD                                      TEHD

Friction Power Loss                      Viscosity

TEHD-Modell.jpg

TEHD-Modell

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  • energetische Kopplung der dissipative

      Energieumsetzung im Schmierfilm

      auf Basis 2-dimensionaler Energiegleichung

      sowie Wärmetransport in Welle und Lager

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  • Vergleich der Kippsegmenttemperatur Messung / Simulation

Kippsegmenttemp-Messung-Simu.jpg

Segmenttemperatur

und Druckverteilung

  • Axial-Kippsementlager
    Doppelwirkendes Momentenlager

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Druckverteilung

  • Axial-Kippsement-Tribometer
    Reibungs- und Verschleißuntersuchungen
    texturierter Oberflächen

Axial-Kippsegm-tribom.jpg

Referenzen:

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Backhaus, K. ‚Effiziente hydrodynamische Simulation texturierter tribologischer Funktionsflächen unter Berücksichtigung lokaler Trägheitseffekte‘ ATK: 18. Antriebstechnisches Kolloquium 2019, IMSE RWTH Aachen

IST ZIM - Projekt TriTex – ‚Methodenentwicklung zur Charakterisierung, Kennwertbildung sowie tribologischen Funktionsoptimierung texturierter Oberflächen‘, 2016-2019,  „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) – Förderkennzeichen 4148601LP5

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