Institut für Mechanik

Ein wesentlicher Punkt bei der Auslegung rotordynamischer Systeme ist die Lagerung. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagerkonzepten wie Gleit- und Wälzlagern haben Gas- oder Folienlager deutlich geringere Verlustleistungen, was vor allem auf die geringe Viskosität und die damit verbundenen Scherspannungen des verwendeten Fluids (Luft) zurückzuführen ist. Als Folge der niedrigen Viskosität ist ein geringes Spiel erforderlich, um eine angemessene Tragfähigkeit zu gewährleisten. Um den Temperaturanstieg und die Fliehkraftentwicklung der Welle zu kompensieren, ist die Lagerschale so ausgeführt, dass eine elastische Verformung zugelassen wird, was in der Regel durch ein System von Metallfolien realisiert wird, z.B. in Form einer Top- und darunterliegende Bump-Folie. Außerdem sorgt die Relativbewegung zwischen den Folien für zusätzliche Dämpfung. Während des Entwurfsprozesses müssen dynamische Simulationen des Rotors durchgeführt werden, um die Amplituden aufgrund von Unwucht und subsynchronen Schwingungen prädiktieren zu können, wobei letztere die Stabilitätsgrenze des Systems definieren.
Ziel des Projekts ist die Implementierung von Bump-Type-Folienlager in eine rotordynamische Simulation, um Campbell-Diagramme unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Lager sowie nichtlineare Hochlaufanalysen durchführen zu können. Das Vorgehen umfasst eine numerische Online-Lösung der Reynoldsgleichung, die auf das ideale Gasgesetz angewendet und mit verschiedenen Modellen für die Folienverformung kombiniert wird. Ein gängiger Ansatz ist die Verwendung einer 1d-Diskretisierung in Umfangsrichtung unter der Annahme stationärer Bedingungen, wofür häufig eine analytische Formulierung der Steifigkeit der Bump-Folie oder ein Finite-Elemente-Modell der Top-Folie genutzt werden. Dieser Ansatz wird zunächst zu einem 2d-Ansatz erweitert, um eine Fehlausrichtung oder Kippbewegung der Welle zu berücksichtigen. Um zusätzlich die Dämpfung der Folienstruktur in geeigneter Weise zu beschreiben, wird das zeitabhängige Verformungsverhalten der Folie abgebildet, was die Einbeziehung von Trägheitseigenschaften sowie ein Reibungsmodell bedingt. Dies wird zunächst durch eine verschiebungsabhängige Strukturdämpfung mit überlagerter Rayleigh-Dämpfung realisiert.
Die beschriebene Formulierung führt aufgrund der Zeitabhängigkeit zu weiteren Zustandsraum-Gleichungen, die durch einen Newmark-Algorithmus gelöst werden und in die Zeitintegration der Bewegungsgleichung des Rotors eingebettet sind.
Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den in der Literatur verfügbaren Messungen zeigt eine hohe Modellierungsgüte des erweiterten Ansatzes, die mit quasistationären Simulationen oder vereinfachten Folienmodellen nicht realisiert werden kann, wodurch sich ein signifikanter Mehrwert bei der Auslegung nichtlinearer Rotorsysteme mit Folienlagern ergibt.

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Das Schwingungsverhalten von Rotorsystemen wird neben den elastischen und Trägheitseigenschaften des Rotors sowie der äußeren Lasten vor allem durch die Lagerung bestimmt. Aufgrund der vorteilhaften mechanischen und thermischen Charakteristika sowie der geringen Kosten kommen häufig Gleitlager-Konstruktionen zum Einsatz. Zum einen betrifft dies die Radialgleitlager, welche dominant die Biegeschwingungen beeinflussen, gleichzeitig kommen zur axialen Sicherung bzw. zur Aufnahme axialer Lasten Axialgleitlager zum Einsatz. Beide Lagertypen liefern bedingt durch ihre jeweiligen Steifigkeits- und Dämpfungsparameter einen wesentlichen Beitrag zum Systemverhalten, welcher drastische Auswirkungen auf die resultierenden Schwingungen und die Stabilität hat. Kontinuierliche Weiterentwicklungen und steigende Anforderungen bedingen eine sukzessiv erhöhte Abbildungsgüte des transienten Systemverhaltens, weshalb eine detaillierte Modellierung der Systemeigenschaften des Rotorsystems, der Lagerung und deren Wechselwirkungen notwendig sind.
Für transiente Untersuchungen ist eine Verwendung etablierter quasistationärer Lösungen auf dem Gebiet der gekoppelten Rotor-Lager-Simulation nicht adäquat möglich. Während für quasistationäre Betrachtungen der Lagersituation die Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems genügt, müssen für transiente Fragestellungen Zeitintegrationen unter Beachtung der Rotordynamik durchgeführt werden. Eine entsprechend detaillierte Abbildung der Lagerung macht die Auswertung der Reynoldsschen Differentialgleichung in jedem Schritt der Zeitintegration unter Berücksichtigung des zeitvarianten Kavitationszustands notwendig.
Im Vorgängervorhaben wurde für Radiallager ein modifizierter Kavitationsalgorithmus nach Elrod erarbeitet, der nun auf die Axiallagerung zu übertragen ist. In diesem Kontext treten neben dem einfachen Axiallager verschiedene weitere Bauformen auf, die sich in Kombilager (Radial-Axialbund-Gleitlager), Schwimmscheibenlager und Kippsegmentlager einteilen lassen. Dabei müssen hydraulische Kopplungen zwischen axialen und radialen Schmierfilmen sowie mechanische Kopplungen zu den Komponenten des Rotor-Lager-Systems unter dem Einfluss der Kavitation berücksichtigt werden. Mit dem erweiterten Simulationsmodell sollen relevante Schwingungsphänomene (Subharmonische Schwingungen, Gegenlaufanregungen durch äußere Lasten, Kippsegmentschwingungen) bzgl. Frequenz und Amplitude valide prädiktiert werden.

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Das Ziel des Projekts ist die Verbesserung der Abbildungsgüte von gleit- und schwimmbuchsengelagerten Rotorsystemen unter Berücksichtigung hoher Drehzahlen und variabler dynamischer Lasten. Ein besonderer Fokus liegt auf der Abbildung transienter Effekte, welche einen massiven Einfluss auf das Systemverhalten aufweisen können.
Für die Betrachtung dieser Probleme existiert kein allgemeingültiger Ansatz, der die nichtlinearen Effekte der hydrodynamischen Lager im Zeitbereich unter Berücksichtigung eines masseerhaltenden Kavitationsalgorithmus beinhaltet. Zur Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand soll das binäre Verhalten der Diskretisierung, welche für die Lösung der beschreibenden Reynoldsschen Differentialgleichung notwendig ist (Zuordnung erfolgt entweder zum Kavitations- oder zum Druckgebiet), regularisiert werden. Damit können einzelne Elemente sowohl Teil des Kavitations- als auch des Druckgebiets sein, wodurch ein stetiger Übergang unabhängig von der Elementierung möglich ist.
Während für technische Anwendungen mit moderaten Drehzahlen häufig reine Gleitlagerkonzepte Anwendung finden, werden im Bereich hoher Drehzahlen weitgehend Konzepte mit Schwimmbuchsenlagern verwendet, deren Neigung zu subharmonischen Schwingungen im Zusammenhang mit rotordynamischen Fragestellungen und dem zu regularisierenden Kavitationsalgorithmus untersucht werden soll.
Mit dem Projekt bietet sich die Möglichkeit das Systemverständnis bei der Simulation von gleit- und schwimmbuchsengelagerten Rotorsystemen zu steigern. Dabei kann mit der erweiterten Modellierungsmethode aufgrund der unbedingt stabilen Konvergenzeigenschaften eine transiente Untersuchung des mechanischen Systems unter Einbeziehung aller dominanten hydrodynamischen Effekte umgesetzt werden.

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Im Rahmen der Konzipierung von Differentialgetrieben ist neben der reinen Funktionsweise und einem hohen Wirkungsgrad auch das akustische Verhalten ein Qualitätskriterium. Aufgrund der hohen Anzahl bewegter Elemente, ihrer Kontakte untereinander sowie der nichtlinearen Lagerungseigenschaften ist die multikriterielle Auslegung der Konstruktion meist nur unter Verwendung numerischer Simulationen und begleitender experimenteller Untersuchungen möglich.
Im Rahmen der Simulation, welche aufgrund der großen Referenzbewegungen vorteilhaft unter Nutzung von Mehrkörpersystemen umgesetzt werden kann, müssen zum einen die Anregungsmechanismen und zum anderen das nichtlineare Verhalten des Gesamtsystems infolge der Gleitlagerung korrekt abgebildet sein. Wesentliche Einflüsse ergeben sich dabei durch die elastischen Eigenschaften der Einzelbauteile sowie das Verhalten der Lagerung. Letztere ist vor allem für den Anlaufscheibenverbund der Kegelräder nicht trivial, da hier ballige Gleitlager mit zusätzlichen Kunststoffelementen verwendet werden. Eine detaillierte Abbildung der Steifigkeits- und Dämpfungseinflüsse im Rahmen der Gesamtsimulation des Systemverhaltens erlaubt final eine ganzheitliche Beurteilung der Konstruktion.

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The acoustic emissions of the combustion engine are one of the main contributors to the pass by noise of a passenger car, which is a main focus of current NVH activities.
In this context the crank drive has a dominant influence and has to be analyzed in detail to identify the most important design parameters concerning vibrations of the main bearings, which defines one excitation source of the engine's acoustic emission. Thereby, the main focus will be on design parameters, which can easily be changed in an already existing production line for mass production of passenger cars.
The deformation of the crank shaft, which was calculated with the previously defined MBS model under nominal conditions (two rotational speeds) is analyzed concerning the strain energy. The results are averaged for one load cycle to allow for an overall statement, which regions are sensitive concerning the NVH behavior (due to large strain energy). This approach neglects the non-linear interactions between the vibration behaviour of the crank shaft and the bearing parameter, but it allows for a determination of relevant geometrical parameters of the crank shaft. For reasons of further investigations also the contribution of each eigenmode to the strain energy is calculated and weighted with the participation factor.
After a parameter variation, which is performed in time domain, the bearing forces, which are assumed to affect the NVH behaviour dominantly, are transferred into frequency domain including the resulting phase angle with respect to the crank shaft angle. Furthermore, acoustic sensitivities for each bearing (from experimental or computational data) are used to compare different variants. In this context several aspects has to be taken into account: On the one hand vibration with different opposed phases vanish (phase cancel). On the other hand high bearing forces, which result from eigenvalues in the interesting frequency domain, can be shifted towards frequencies with low acoustic sensitivities, leading to a lower sound pressure (eigenvalue dispersion). The last point to mention is a mode control, so that specific modes are tuned to assure that the amplitudes in the bearings tend to zero.

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Neben der Radiallagerung von Rotoren spielt auch deren axiale Lagerung eine wesentliche Rolle bei der Auslegung rotordynamischer Systeme. Insbesondere bei geringer oder wechselnder axialer Belastung werden dazu zwei gegeneinander wirkende Axiallager - Haupt- und Hilfslager - eingesetzt. Insbesondere das Hilfslager weist, bedingt durch den größeren axialen Spalt, nur eine Teilfüllung auf, was sich gegenüber einer Vollfüllung durch eine geringere Reibleistung äußert. Unter transienten Bedingungen sind die Füllgrade beider Spalte von der Zeit und der Belastung abhängig und führen so auf veränderliche Druckverteilungen in den Segmenten und ferner zu variierenden Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der Gesamtlagerung.
Ziel dieses Projekts ist daher, das beschriebene transiente Verhalten simulativ abzubilden und in ein Rotordynamikmodell zu integrieren. Das Kavitationsverhalten wird zum einen basierend auf einer regularisierten Variante des Elrod-Algorithmus und zum anderen unter Nutzung des Zweiphasenmodells implementiert. Zunächst wird eine Validierung bzw. Verifizierung unter statischen Belastungen angestrebt, bevor entsprechende transiente Untersuchgungen durchgeführt werden.

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The acoustic emissions of the combustion engine are one of the main contributors to the pass by noise of a passenger car, which is a main focus of current NVH activities.
In this context the crank drive has a dominant influence and has to be analyzed in detail to identify the most important design parameters concerning vibrations of the main bearings, which defines one excitation source of the engine's acoustic emission. Thereby, the main focus will be on design parameters, which can easily be changed in an already existing production line for mass production of passenger cars. For this purpose a multi-body-simulation model of the crank drive is build.
Beside the crankshaft, which will be modeled as an elastic body (using the floating frame of reference approach - elastic deformations are superimposed to the rigid body motion via a reduced FE-model), the remaining bodies are assumed as rigid. The bearings on the crank shaft are modeled by a transient solution of Reynolds PDE, which allows a detailed analysis of the bearing forces and the influence of bearing parameters. The exciting forces are determined by the transient combustion forces acting on the pistons. As it is assumed that a lower magnitude of excitation forces leads to lower acoustic emissions, the numerical results of interest are the forces in the main bearings, which can excite the crankcase and lead to a noticeable acoustic behaviour.

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Neben dem konventionellen Wirkprinzip der Stauaufladung kann die Turbine eines Abgasturboladers alternativ mittels Stossaufladung betrieben werden. Diese Variante nutzt nicht nur die Druckunterschiede über der Turbine sondern auch die kinetische Energie des Abgases, wodurch sich Wirkungsgradvorteile ergeben. Dies führt allerdings wegen des pulsierenden Drucks im Abgas zu einem transient veränderlichen Abtriebsmoment der Turbine, was zum einen Schwingungen des Laufzeugs und zum anderen eine veränderte Hochlaufcharakterisik nach sich ziehen kann. Die konkreten Auswirkungen auf das rotordynamische Verhalten sind bisher aufgrund der starken Nichtlinearität des Systemverhaltens nicht abschließend untersucht.
In diesem Projekt wird der Einfluss der Stossaufladung gegenüber der herkömmlichen Stauaufladung mit Hinblick auf die Rotordynamik des Laufzeugs und dessen radialer Lagerung, welche als Schwimmbuchsenlagerung ausgeführt ist, untersucht. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die adäquate Modellierung  der Lagereigenschaften, welche typische nichtlineare Effekte wie Oil-Whirl und Oil-Whip zuverlässig in Frequenz und Amplitude abbilden muss, woraus sich Aussagen bzgl. des Einflusses der Lagerung auf maximale Drehzahlen, Instabilitäten, Lebensdauer etc. ableiten lassen.

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In Ambulanzmobilen wird zur Sicherung der zu transportierenden mobilitätsbehinderten Personen am Fahrzeugboden ein Schienensystem eingesetzt, an dem die notwendigen Gurte befestigt werden. Die Schienen sind mittels Schraubverbindungen über eine hinsichtlich ihrer Festigkeit zu analysierende Gewindehülse an einem Blech und einer Multiplexplatte fixiert. Das Blech ist seinerseits am Fahrzeugboden über eine Klebeverbindung angebracht.
Zur Bestimmung der maximalen Belastungen der Gewindehülse wird die Verstellbarkeit des Systems und die damit einhergehende Lastverteilung auf die einzelnen Befestigungselemente als Extremwertproblem modelliert. Anschließend werden die aus den maximalen Belastungen resultierenden Spannungen unter Nutzung angepasster FE-Modelle analysiert. Dabei wird aufbauend auf Untersuchungen des TÜV Rheinland eine durch Korrosion induzierte Abschwächung des tragfähigen Querschnitts der Gewindehülse berücksichtigt und die Verbindindung hinsichtlich ihrer zulässigen Belastungen bewertet.

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Während des Entwicklungsprozesses von Turboladern sind neben den strömungs- und thermodynamischen Eigenschaften auch die Einflüsse der Rotordynamik und die Auslegung der Lagerung zentrale Punkte, welchen eine hohe Bedeutung zukommt. Aufgrund der vielfältigen Einflüsse auf das Schwingungsverhalten ist eine a priori Abschätzung unter Nutzung vereinfachter Formeln mit vielen Unsicherheiten verbunden. Aus diesem Grund soll ein numerisches Modell des zu entwickelnden Turboladers aufgebaut werden, das die rotordynamischen Eigenschaften einschließlich der Lagerung abbildet.
Damit sollen die Auswirkungen konstruktiver Veränderungen auf subharmonische Schwingungsanteile (Whirl-, Whip), Reibleistung und Lagerkräfte studiert werden können.
Nach Umsetzung eines Prototyps sollen die Simulationen mit durchgeführten Messungen abgeglichen und die im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit resultierenden Grenz-Lagerspielenkombinationen hinsichtlich ihrer Einflüsse auf das Schwingungsverhalten untersucht werden.
Die beschriebenen Arbeiten werden für zwei Turbolader (die konstruktiven Umsetzungen variieren als Resultat der Anwendung im Zusammenhang mit Benzin bzw. Diesel-Aggregaten) in analoger Weise durchgeführt.

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Im Rahmen von Technologieoptimierungen und Minimierung von Kosten sollen Sensoren, deren Messdaten auch einer indirekten Bestimmung zugänglich sind, eingespart werden.
In diesem Kontext zeigten sich während experimenteller Studien bei bestimmten konstruktiven Umsetzungen einer Ölpumpe unerwartete Änderungen der Reibleistung in Abhängigkeit verschiedener Parameter.
Zur Untersuchung der Wirkmechanismen ist die Beschreibung des dynamischen Verhaltens einschließlich der hydrodynamischen Bedingungen und damit der resultierenden Kräfte in der Pumpe unabdingbar. Aus diesem Grund wird ein hydrodynamisch-mechanisch gekoppeltes MKS-Modell der Pumpe aufgebaut und in Abhängigkeit der konstruktiven Parameter eine simulative Studie durchgeführt.
Darüber hinaus ergibt sich mit den resultierenden Belastungen die Möglichkeit einer Bewertung der Tragfähigkeit der Hauptlagerung.

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Die anhaltende Forderung nach Reduktion der CO2 Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs von Motoren bei gleichzeitig steigender Leistung führt zunehmend zu Downsizing in Kombination mit Hochlastkonzepten. Zur Steigerung des effektiven Mitteldrucks können Turbolader Anwendung finden. Im Turbolader wird die Abgasenergie des Motors durch eine Turbine in Rotationsenergie umgewandelt, welche wiederum genutzt wird, um über einen Verdichter den Ladedruck des Motors zu erhöhen. Dadurch kann die Effizienz des motorischen Gesamtprozesses erheblich gesteigert werden. Aus thermodynamischer Sicht sind dazu möglichst hohe Drehzahlen der Turboladerwelle anzustreben, wohingegen sich diese aus mechanischer Sicht unter Verwendung von Gleitlagerungen aufgrund auftretender Instabilitäten als kritisch erweisen. Diese Instabilitäten sind bei in einfachen Radialgleitlagern gelagerten Rotoren hinlänglich als Whirl- und Whip-Phänomene bekannt. Ab einer Drehzahl nC1 treten selbsterregte subharmonische Schwingungen mit etwa dem 0.42 … 0.45-fachen der Drehfrequenz mit stabilem Grenzzyklus auf (Whirl). Wird dadurch bei weiterer Drehzahlerhöhung auf nC2 eine Eigenfrequenz des Rotors angeregt, bezeichnet man dies als Whip. Die Whip-Frequenz bleibt auch bei weiterer Drehzahlsteigerung konstant, wohingegen die Lagerung instabil wird und die Amplituden nur noch vom Lagerspiel begrenzt werden. Um einen sicheren Betrieb über nC2 hinaus zu gewährleisten, finden in Turboladern Schwimmbuchsenlager Anwendung. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die am inneren Schmierfilm auftretende Instabilität durch den äußeren Schmierfilm gedämpft wird und umgekehrt. Dadurch kann eine Vergrößerung des zulässigen Drehzahlbereichs bewirkt werden.
Zur Untersuchung und zur Erweiterung des Verständnisses bzgl. des Auftretens der Instabilität wurden bereits verschiedene Anstrengungen unternommen (siehe z. B. FVV - Vorhaben Hochlaufsimulation I ). Aufgrund der Komplexität des Themas ist jedoch eine weiterführende Untersuchung mit erhöhter Modelltiefe zur Abschätzung der Sensitivitäten der Einflussparameter zwingend notwendig. Um dabei eine möglichst große Bandbreite an Einflussparametern abdecken zu können, ist als Ausgangspunkt eine numerische Lösung der beschreibenden thermohydroelastischen Differenzialgleichungen heranzuziehen. Dadurch bestehen keine Beschränkungen, wie sie z. B. durch die Verwendung der Impedanzmethode im FVV - Vorhaben Hochlaufsimulation I gegeben waren. Unter Berücksichtigung praktikabler Rechenzeiten für einen Hochlauf sowie den Ergebnissen einer systematischen DoE-Studie müssen geeignete Vereinfachungen im Rahmen einer zulässigen Abbildungsgüte getroffen werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die bei ATL auftretenden subharmonischen Schwingungen und die Instabilitäten während des Turboladerhochlaufs verlässlich in Frequenz- und Amplitudenwert abzubilden.

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