Alternative Ansätze zur Dynamiksimulation des Kurbeltriebs mit Finite-Elemente-Modellen

Abstract

Der hohe Entwicklungsstand moderner Verbrennungskraftmotoren erschwert die Suche nach weiterem Verbesserungspotential. Anforderungen hinsichtlich Verbrauch und Emissionen, Leistung, aber auch Kosten führen oft zu Zielkonflikten. Das deshalb für Verbesserungen nötige Systemverständnis kann in vielen Fällen nur durch Berechnungen aufgebaut werden, da Messungen üblicherweise aufwendig sind und physische Prototypen voraussetzen. Ein Phänomen, welches sowohl durch Messungen als auch mit gängigen Berechnungsmethoden nur schwer zu ermitteln ist, stellt die Sekundärbewegung eines Kolbens in Verbrennungsmotoren dar. Darunter versteht man die Querbewegung sowie das Kippen des Kolbens relativ zum Zylinder. Die derzeit beim industriellen Projektpartner verwendete Methodik, die eine Kombination aus Mehrkörpersimulationen und Finite-Elemente-Simulationen darstellt, kann die Kolbensekundärbewegung und die daraus resultierende Kolbenbelastung nicht in zufriedenstellender Weise abbilden. Aus diesem Grund soll untersucht werden, ob es möglich ist, eine genaue Spannungsanalyse für den Kurbeltrieb unter alleiniger Verwendung implizit-dynamischer Finite-Elemente-Methoden durchzuführen. Das dazu notwendige Modell wird aus bereits vorhandenen Finite-Elemente-Bauteilen aufgebaut. Diese Bauteile werden so modifiziert, dass die Geometrieänderungen, die durch Feinbearbeitung entstehen, berücksichtigt werden. Mit der Software ABAQUS wird eine Finite-Elemente-Analyse eines Einzylindermodells, welches aus diesen modifizierten Bauteilen besteht, durchgeführt. Unter hohem Einsatz an Rechenressourcen werden mit diesem Modell direkt Ergebnisse erzeugt, die ansonsten nur durch eine aufwändige Kombination verschiedener Programme erzielt werden können. Die Modellierung des Kontakts zwischen Kolben und Zylinder erweist sich als entscheidender Einflussfaktor auf die Kolbensekundärbewegung. Sowohl die Hydrodynamik des Schmierfilms als auch das Schliffbild am Kolbenschaft haben einen starken Einfluss. Es wird ein Programm entwickelt, das die Reynolds¿sche Differentialgleichung, welche die Druckverteilung in Schmierfilmen beschreibt, löst. Mit Hilfe dieses Programms werden die Parameter eines Schmierfilm-Ersatzmodells für die Kontaktsteifigkeit und die Kontaktdämpfung in ABAQUS berechnet. An einem vereinfachten Kurbeltriebmodell wird das Schmierfilmmodell getestet und der Einfluss des Kontaktmodells auf die Kolbensekundärbewegung untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen werden Verbesserungen an der Kontaktimplementierung in ABAQUS durchgeführt, sodass die Druckverteilung im Ölfilm dem physikalischen Verhalten eines Fluids entspricht. Weiters wird der Einfluss der numerischen Dämpfung untersucht und Methoden zur Reduktion der Rechenzeit vorgestellt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Simulation eines detaillierten Kurbeltriebs und die Erfassung der Kolbensekundärbewegung unter ausschließlicher Verwendung der Finite-Elemente-Methode möglich ist.

The growing demands on modern internal combustion engines regarding efficiency, performance, and costs require a thorough understanding of the mechanics of the crank mechanisms and, in particular, the fluid-structure interaction between the piston and the cylinder. Often, obtaining this understanding is only possible with simulations, because measurements are expensive and physically difficult. An example for a phenomenon, which cannot be measured in an easy way, is the secondary motion of the piston inside an internal combustion engine. The term "secondary motion" describes the motion of the piston transverse to its longitudinal axis and the tilt motion around the pin. The present work is performed in collaboration with an industrial partner. The simulation method currently used by the project partner is a combination of multibody dynamics simulations and Finite Element analyses. Unfortunately, it is difficult to capture the piston¿s secondary motion and the resulting stress fields in satisfying detail with this approach. Therefore, it is examined here, whether or not it is possible to get better results with implicit dynamic Finite Element analyses of the crank mechanism. The project partner has provided meshed parts as the basis for a detailed Finite Element model to be set up in the Finite Element software ABAQUS . First, the modifications of the geometry introduced by fine machining are added. Then, a fully detailed model of an engine segment containing a single cylinder consisting of the provided parts is analyzed. Even though considerable computing resources are required for the simulations, it is demonstrated that the desired results, which otherwise would need a combination of different analysismethods, can in principle be obtained by Finite Element analyses alone. The contact formulation between the parts appears to be the key challenge for getting results, which describe the piston secondary motion correctly. Therefore, the shape of the piston shaft and the viscous properties of the lubricant have to be considered, and a model for the fluid film state is developed, based on Reynolds¿ differential equation. The developed Reynolds solver is used as a stand-alone program for the derivation of contact stiffnesses and contact damping properties for the Abaqus contact model. Several verification analyses are performed on a simplified model of the crank mechanism to examine the influence of the contact definition on the secondary motion of the piston. Based on the results, refinements in the contact definitions are formulated, such as a method for avoiding physically incorrect negative fluid pressures. Furthermore, the influence of numerical damping is investigated and methods for reducing the computation time are presented. The present work shows that the simulation of a crank mechanism regarding the secondary motion of the piston is possible with a high level of detail by using the Finite Element method alone.