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    Impressum

     

     

    Simulationstechnik und Anwendungen

    • Programmsystem FIRST 

           Theorie, Features, Applikationen

    • FIRST_Wear Verschleißsimulation

    • Strukturdynamische Optimierung von Mehrkörpersystemen

            Berücksichtigung von Schmierfilmsteifigkeit und Dämpfung

    • Rotordynamik 

    • Tribo-Systeme in Windenergieanlagen    

    • FIRST-FMI für hydraulisch gekoppelte Tribosysteme

    • Radial-Axial Kippsegmentgleitlager  

     

     

    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

    • Tribologische Berücksichtigung rauer Oberflächen

      • Mikrohydrodynamik, Flußtensoren Patir/Cheng  

    ​​Kontaktdruckmodell rauer Oberflächen Boussinesq 

    • Thermo-Elasto-Hydrodynamik

      • Lösung der Wärmeleitung in Körpern Körpertemperaturen

      • Lösung der Energiegleichung im Schmierfilm → Filmtemperatur

      • Energetische Kopplung inklusive hydrodynamischer Dissipation

      • Berechnung der thermischen Bauteildeformationen

    • 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

    • 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

    • Prüfstands- und Simulationsergebnisse einer Nockenwellenlagerung

      • Komponentenprüfstand Nockenwellenlagerung

        • dynamische Lastkollektive

        • Meßtechnik, Reibmoment,  Kontaktspannung

      • Laufspiegel nach Einlauf

                    Messung                 Simulation

    • Ablauf Verschleißsimulation

           Druckentwicklung infolge Hydrodynamik

           und Kontaktdruck in Abhängigkeit

           vom Einlaufverschleiß

     

     

     

     

     

     

     

     

     

         

           

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    •  Entwicklung des Reibmomenten
       über dem Einlaufprozeß

     

    Vergleich Messung / Simulation

    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

    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

     

    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

    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

     

    -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

    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

    FIRST_Wear Verschleißiteration

    • Thermo-Elasto-Hydro-Dynamische Analyse einer Abtriebsstufe

      • Druck- und Temperaturverteilung in Schmierfilm und Lagerstruktur

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

    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 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 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