Die Vielfalt tribologischer Systeme in der Antriebstechnik

Simulationstechnik und Anwendungen

       Theorie, Features, Applikationen

       Berücksichtigung von Schmierfilmsteifigkeit und Dämpfung

 

 

 

Simulation thermo-elasto-hydrodynamisch gekoppelter Mehrkörpersysteme

  • Strukturdynamik elastischer Mehrkörpersysteme (EMKS)

  • Nichtlineare Koppelelemente und hydrodynamische Schmierfilme

  • Energetische Kopplung von Schmierfilmdissipation, Wärmeleitung und thermischen Deformationen

Applikation:

  • Auslegung, Schwachstellenanalyse, Optimierung tribologischer Systeme

  • Strukturdynamik, Akustik

Theoretischer Background

  • Hydrodynamische Schmierungstheorie

  • Reynolds‘sche DGL. rauer Oberflächen

FIRST

 
  • Tribologische Berücksichtigung rauer Oberflächen

    • Mikrohydrodynamik, Flußtensoren Patir/Cheng  

Druckflussfaktor

Scherflussfaktor

  • Kontaktdruckmodell rauer Oberflächen 

    • elastischer Halbraum nach Boussinesq  

Neu

run in

Laufspiegel

nominelle Spaltweite h*

  • Thermo-Elasto-Hydrodynamik

    • Lösung der Wärmeleitung in Körpern Körpertemperaturen

    • Lösung der Energiegleichung im Schmierfilm → Filmtemperatur

    • Energetische Kopplung inklusive hydrodynamischer Dissipation

    • Berechnung der thermischen Bauteildeformationen

Schmierflimtemperatur: 2-dim. Energiegleichung

Druck

Ölfilmtemperatur

Pleueltemperatur

  • Mehrkörperdynamik elastischer Körper (Kräfte und Verschiebungsgrößen u )

    • Newtonsche Bewegungsgleichung unreduziert

    • Modellreduktion             

    • Modale Ansatzvektoren

  • Energiegleichung der Festkörper (Temperaturverteilung)

    • Wärmeleitungsgleichung unreduziert

    • Modellreduktion

    • thermische Ansatzvektoren

  • Thermische Deformation
    der reduzierten Strukturen

Features:

  • Problemspezifische Modelltiefe der Tribosysteme

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

  • Mischreibungsmodelle

    • Trag- und Reibungskräfte

  • Verschleißmodelle

    • Iterative Berechnung von Verschleißkonturen

    • Realistische Reibungsverluste nach Einlauf

  • Gekoppelte Ölversorgung von Tribosystemen

    • energetische optimierte Pumpenauslegung

  • Rechenzeitoptimierung

    • Speedup durch Parallelisierung

  • Akustik

Hydrodynamik

Festkörper-Kontakt

  • Allgemeine Metrik für Gleitraumgeometrie

    • Zylinder, Kegel, Kugel, Torus, Ebene

    • kombinierte Radial-/Axiallager, U-Shape Lager

  • Rotordynamik

    • Radial-/Axiallager mit festen und kippbeweglichen Segmenten

    • Schwimmbuchsenlager

  • Effiziente Modellgenerierung und Ergebnisauswertung

    • Pre- und Postprocessor, Templates

  • Schnittstellen

    • FEM: Abaqus, Ansys, Nastran, Permas

    • Hydraulik  DSHplus, SimulationX

    • Wälzlager BearinxMap

 

Einlauf- und Verschleißsimulation

  • Energetisches Verschleißmodell

  • Auswirkung von Einlaufverschleiß auf Mischreibung und Reibung

  • Prognose positiver bzw. kritischer Verschleißprozesse

  • EHD-Simulation rauer Oberflächen mit Mischreibungskontakt

FIRST_Wear

 

EHD-/Verschleißsimulation

Tribo-mechanische Beanspruchung

  • lokale Reibleistung

Verschleißberechnung

  • lokaler Verschleiß

  • Gleitweg

,  Zeitschritt

  • Knotenbezogene Konturkorrektur

  • Kennfeld-Aktualisierung

    • Kontaktdruck, Flußtensoren​

nein

ja

Abbruchkriterium

  • 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

       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

  •  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

  • Identifikation von Optimierungspotentialen der Struktursteifigkeit und Massenverteilung

  • Auswirkung von Federsteifigkeit und Dämpfung der Tribokontakte auf die Struktudynamik

  • MKS-Model​​

     Elastische Körper

 

  • Tribokontakt

 

  • Modalanalyse

    • Vergleich Messung / Simulation

    • Reduktion der Schwingungen durch konstruktive Maßnahmen

 

EHD-Lager zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfführung

Hydrodynamisches Hauptlager
Impedanz Pleuellager

Kopplung Kolben und Zylinder

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.

 

  • Modelltiefe

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

    • Thermische Deformationen

    • Effiziente kennfeldbasierte energetische Kopplung von dissipativen Verlusten und Schmierfilmtemperatur

  • Zapfen- und gehäuseseitige Druckverteilung  der Schwimmbuchse

  • Drehzahlhochlauf

    • Zapfen- und gehäuseseitige Verlagerungsbahn

    • Subharmonische und absolute Instabilität

 

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

 

  • Problemstellung

    • Tribologische Beanspruchung 

    • kombinierter Radial-/Axial-Lager 

    • Funktionsoptimierung durch konstruktive Maßnahmen

 

  • Modellbildung

    • Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung

    • Einlaufverschleiß

​Rotor-Hauptlager

​Planetenradlager

Aplikationen

 

  • Rotor-Hauptlager

    • EHD-Modellbildung hydrodynamisches Momentenlager

    • dynamische Windlasten

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

 

  • Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Planetenradlagerung

    • kombinierte Radial- / Axial-Lagerung

    • Einlaufverschleiß und tribologische Beanspruchung

Pressungsverteilung Neuzustand

Pressungsverteilung nach Einlauf

Einlauf - Kontur

FIRST_Wear Verschleißiteration

max. Kontaktdruck GS

max. Kontaktdruck RS

min. Ölfilmdicke GS

min. Ölfilmdicke RS

  • Thermo-Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Abtriebsstufe

    • Druck- und Temperaturverteilung in Schmierfilm und Lagerstruktur

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

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

 

  • 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

 

  • Applikationen

    • Energetisch bedarfsgerecht optimierte Ölversorgung und Pumpenauslegung

    • Parallel- und Reihenschaltung der Ölversorgung von Tribosystemen

    • Detektierung von Mangelschmierung

 

  • Modellbildung

    • Thermo-Elastohydrodynamische Kopplung

    • Einlaufverschleiß

  • ​Gekoppelte Ölversorgung von Grund- und Pleuellager

  • Schaltfunktion  VCR Kurbeltrieb

    • Kolbenbolzenlagerung / Bewegungsablauf

    • EHD-Modell mit Mischreibungkontakt

    • Schaltdrücke und Volumenstrom des Pleuellagers

    • gekoppelte Ölversorgung Grund- / Pleuellager

    • Zielgröße: Druckversorgung Schaltzylinder

  • Axialkolbenpumpe mit variabler Verdrängung

    • EHD/EMKS-Modellbildung

    • Tribokontakte: Kolben/Zylinder, Kugelgelenk, Gleitschuh

  • Zielgrößengrößen

    •  tribologische Beanspruchung, Hydrodynamik,  Mischreibung, Reibleistung, Verschleiß

    •  Öldurchsatz, Leckage

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.

  • 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

  • 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

  • energetische Kopplung der dissipative

      Energieumsetzung im Schmierfilm

      auf Basis 2-dimensionaler Energiegleichung

      sowie Wärmetransport in Welle und Lager

  • Vergleich der Kippsegmenttemperatur Messung / Simulation

Segmenttemperatur

und Druckverteilung

  • Axial-Kippsementlager
    Doppelwirkendes Momentenlager

Druckverteilung

  • 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

    © 2020 by IST mbH            

    Impressum