Simulative Betrachtung der Kolbenbolzenlagerung

Abstract

Aufgrund fallender Zahlen an Versuchsträgern des heutigen Verbrennungsmotors gewinnt die digitale Bewertung dynamisch belasteter Gleitlager wie der Kolbenbolzenlagerung zunehmend an Bedeutung. Notwendig sind Berechnungsmodelle, die hinsichtlich des Verhaltens bei hohen Lasten, geringen Schmierfilmdicken, unterschiedlicher Ölzufuhr, hohen Temperaturen, etc. aussagefähig sind. Ein Komponenten-Prüfstand zur Reibungsmessung der Kolbenbolzenlagerung wird eingesetzt, um eine Validierung der Berechnungsergebnisse zu gewährleisten. Dies geschieht durch Extraktion der in Verbindung stehenden Bauteile (Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange). Eine neuartig entwickelte hydrostatische Lagerung am Prüfstand ermöglicht eine größere elastische Deformation des Kolbens und damit eine brennraumnahe Verformung der Bauteile. Es werden Messungen mit Bauteilen eines Otto- und eines Dieselmotors, welche sich durch verschiedene Materialpaarung und Geometrien der Bauteile unterscheiden. Für die Berechnung wird eine Mehrkörpersimulation mit Schmierfilmkopplung eingesetzt, welche nichtlineare Effekte dynamisch hochbelasteter Gleitlager abbilden kann. Mithilfe der Simulation können die Haupteffekte einer Parameterstudie und ein zeitkontinuierlicher Drehmomentverlauf der Messungen der Diesel-Motorteile nachvollzogen werden. Die Otto-Motorteile zeigen unter Verwendung des Kavitationsalgorithmus nach Kumar und Booker eine bevorzugte Beölungsrichtung der Lagerung. Durch geeignete Schmierstoffzufuhr an den Rändern der Lagerung können früh eintretende Fressereignisse während der Messungen vermieden werden. Auf dem Prüfstand entstandene Laufspuren innerhalb der Kolbennabe und des kleinen Pleuelauges korrelieren örtlich mit den berechneten Druckmaxima der Simulation. Es werden verschiedene Nabenformen innerhalb der Kolbennabe der Otto-Motorteile auf dem Prüfstand getestet. Austrocknungsversuche zeigen die Reibung der Kolbenbolzenlagerung bei sich stetig reduzierender zugeführter Beölungsmenge. Durch die Simulation kann das ermittelte Verhalten auf dem Prüfstand nachgestellt werden. Zudem werden mit dem entstandenen validierten Berechnungsmodell weiterführende Untersuchungen durchgeführt. Somit kann die Kolbenbolzenrotation innerhalb zweier Betriebspunkte eines Einzylinderaggregates mit Saphirglas-Fenster optisch analysiert und rechnerisch korreliert werden. Abschließend bestätigt die Simulation die Reibungsuntersuchungen am Vollmotor aus der Literatur, welche einen Zusammenhang zwischen der Gestaltung der Kolbenbolzenlagerung und dem gemessenen Reibmitteldruck des Motors herstellt.