Tribology Experts
Die Vielfalt tribologischer Systeme in der Antriebstechnik
Simulationstechnik und Anwendungen
Theorie, Features, Applikationen
Berücksichtigung von Schmierfilmsteifigkeit und Dämpfung
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FIRST-FMI für hydraulisch gekoppelte Tribosysteme
Simulation thermo-elasto-hydrodynamisch gekoppelter Mehrkörpersysteme
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Strukturdynamik elastischer Mehrkörpersysteme (EMKS)
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Nichtlineare Koppelelemente und hydrodynamische Schmierfilme
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Energetische Kopplung von Schmierfilmdissipation, Wärmeleitung und thermischen Deformationen
Applikation:
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Auslegung, Schwachstellenanalyse, Optimierung tribologischer Systeme
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Strukturdynamik, Akustik
Theoretischer Background
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Hydrodynamische Schmierungstheorie
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Reynolds‘sche DGL. rauer Oberflächen
FIRST
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Tribologische Berücksichtigung rauer Oberflächen
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Mikrohydrodynamik, Flußtensoren Patir/Cheng
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Druckflussfaktor
Scherflussfaktor
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Kontaktdruckmodell rauer Oberflächen
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elastischer Halbraum nach Boussinesq
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Neu
run in
Laufspiegel
nominelle Spaltweite h*
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Thermo-Elasto-Hydrodynamik
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Lösung der Wärmeleitung in Körpern → Körpertemperaturen
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Lösung der Energiegleichung im Schmierfilm → Filmtemperatur
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Energetische Kopplung inklusive hydrodynamischer Dissipation
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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 )
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Newtonsche Bewegungsgleichung unreduziert
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Modellreduktion
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Modale Ansatzvektoren
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Energiegleichung der Festkörper (Temperaturverteilung)
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Wärmeleitungsgleichung unreduziert
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Modellreduktion
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thermische Ansatzvektoren
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Thermische Deformation
der reduzierten Strukturen
Features:
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Problemspezifische Modelltiefe der Tribosysteme
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Schnelle Kennfeldlösungen, starre Hydrodynamik,
Elasto-Hydrodynamik, komplexe Thermo-Elasto-Hydrodynamik
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Mischreibungsmodelle
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Trag- und Reibungskräfte
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Verschleißmodelle
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Iterative Berechnung von Verschleißkonturen
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Realistische Reibungsverluste nach Einlauf
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Gekoppelte Ölversorgung von Tribosystemen
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energetische optimierte Pumpenauslegung
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Rechenzeitoptimierung
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Speedup durch Parallelisierung
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Akustik
Hydrodynamik
Festkörper-Kontakt
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Allgemeine Metrik für Gleitraumgeometrie
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Zylinder, Kegel, Kugel, Torus, Ebene
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kombinierte Radial-/Axiallager, U-Shape Lager
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Rotordynamik
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Radial-/Axiallager mit festen und kippbeweglichen Segmenten
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Schwimmbuchsenlager
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Effiziente Modellgenerierung und Ergebnisauswertung
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Pre- und Postprocessor, Templates
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Schnittstellen
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FEM: Abaqus, Ansys, Nastran, Permas
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Hydraulik DSHplus, SimulationX
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Wälzlager BearinxMap
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Einlauf- und Verschleißsimulation
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Energetisches Verschleißmodell
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Auswirkung von Einlaufverschleiß auf Mischreibung und Reibung
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Prognose positiver bzw. kritischer Verschleißprozesse
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EHD-Simulation rauer Oberflächen mit Mischreibungskontakt
FIRST_Wear
EHD-/Verschleißsimulation
Tribo-mechanische Beanspruchung
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lokale Reibleistung
Verschleißberechnung
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lokaler Verschleiß
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Gleitweg
, Zeitschritt
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Knotenbezogene Konturkorrektur
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Kennfeld-Aktualisierung
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Kontaktdruck, Flußtensoren
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nein
Abbruchkriterium
ja
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Prüfstands- und Simulationsergebnisse einer Nockenwellenlagerung
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Komponentenprüfstand Nockenwellenlagerung
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dynamische Lastkollektive
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Meßtechnik, Reibmoment, Kontaktspannung
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Laufspiegel nach Einlauf
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Lager A
Lager B
Lager C
Last
Antrieb
Messung Simulation
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Ablauf Verschleißsimulation
Druckentwicklung infolge Hydrodynamik
und Kontaktdruck in Abhängigkeit
vom Einlaufverschleiß
Lager A
Lager B
Lager A
Lager B
Gesamtdruck
Kontaktdruck
max. Gesamt- und Kontaktdruck
Reibminderung durch Verschleiß
Messung und Simulation
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Entwicklung des Reibmomenten
über dem Einlaufprozeß
Vergleich Messung / Simulation
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
Strukturdynamik eines Hubkolbenkompressors
Identifikation von Anregungsmechanismen auf Basis
von MKS-Modellen unterschiedlicher Modelltiefe
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Identifikation von Optimierungspotentialen der Struktursteifigkeit und Massenverteilung
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Auswirkung von Federsteifigkeit und Dämpfung der Tribokontakte auf die Struktudynamik
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MKS-Model
Elastische Körper
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Tribokontakt
EHD-Lager zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfführung
Hydrodynamisches Hauptlager
Impedanz Pleuellager
Kopplung Kolben und Zylinder
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Modalanalyse
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Vergleich Messung / Simulation
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Reduktion der Schwingungen durch konstruktive Maßnahmen
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Version 1
-Basis
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
Stabilitätsverhalten von Turboladern
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
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MKS-System mit elastischem Rotor und elastischen Pumpen- und Turbinengehäuse
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Thermische Deformationen
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Effiziente kennfeldbasierte energetische Kopplung von dissipativen Verlusten und Schmierfilmtemperatur
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Zapfen- und gehäuseseitige Druckverteilung der Schwimmbuchse
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Drehzahlhochlauf
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Zapfen- und gehäuseseitige Verlagerungsbahn
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Subharmonische und absolute Instabilität
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Turbinenseite
innen
außen
Verdichterseite
Drehzahlhochlauf
-Amplitudenfrequenzgang
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
Wind
Hydrodynamische Gleitlager in Windenergieanlagen
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Problemstellung
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Tribologische Beanspruchung
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kombinierter Radial-/Axial-Lager
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Funktionsoptimierung durch konstruktive Maßnahmen
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Modellbildung
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Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung
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Einlaufverschleiß
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Rotor-Hauptlager
Planetenradlager
Aplikationen
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Rotor-Hauptlager
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EHD-Modellbildung hydrodynamisches Momentenlager
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dynamische Windlasten
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Designoptimierung für reduzierten Bauraum, austauschbare elastische Lagersegmente für optimale Wartung
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Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Planetenradlagerung
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kombinierte Radial- / Axial-Lagerung
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Einlaufverschleiß und tribologische Beanspruchung
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Pressungsverteilung Neuzustand
Pressungsverteilung nach Einlauf
Einlauf - Kontur
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
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Druck- und Temperaturverteilung in Schmierfilm und Lagerstruktur
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Deformations- und Temperaturberechnung mittels Modellreduktion durch
modale und thermische Ansatzvektoren
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Druck
Temperatur
Referenzen:
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
FIRST Functional Moc-up Interface (FMI)
Kopplung von 2D Reynolds DGL und 1D Hydrauliknetzwerk
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Features
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Kopplung 2D/1D über Fluss- oder Druckrandbedingungen
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Bewegtes Leitungssystem mit Trägheitseffekten (Fliehkraft)
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Pumpencharakteristik und hydraulische Stellglieder
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hydraulische Verluste und Fluiddynamik
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Gekoppelte EHD/EMKS-Simulation mit masseerhaltender
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Kavitationsmodell -Füllungsgrad
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Applikationen
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Energetisch bedarfsgerecht optimierte Ölversorgung und Pumpenauslegung
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Parallel- und Reihenschaltung der Ölversorgung von Tribosystemen
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Detektierung von Mangelschmierung
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Modellbildung
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Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung
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Einlaufverschleiß
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Gekoppelte Ölversorgung von Grund- und Pleuellager
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Schaltfunktion VCR Kurbeltrieb
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Kolbenbolzenlagerung / Bewegungsablauf
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EHD-Modell mit Mischreibungkontakt
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Schaltdrücke und Volumenstrom des Pleuellagers
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gekoppelte Ölversorgung Grund- / Pleuellager
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Zielgröße: Druckversorgung Schaltzylinder
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Axialkolbenpumpe mit variabler Verdrängung
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EHD/EMKS-Modellbildung
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Tribokontakte: Kolben/Zylinder, Kugelgelenk, Gleitschuh
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Zielgrößengrößen
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tribologische Beanspruchung, Hydrodynamik, Mischreibung, Reibleistung, Verschleiß
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Öldurchsatz, Leckage
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Referenzen:
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
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
MKS-Basismodell:
2-fach gelagerter elastischer Rotor mit
elastischen Radial-Kippsegmenten
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
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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
Segmenttemperatur
und Druckverteilung
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Axial-Kippsementlager
Doppelwirkendes Momentenlager
Druckverteilung
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Axial-Kippsement-Tribometer
Reibungs- und Verschleißuntersuchungen
texturierter Oberflächen
Referenzen:
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