RecurDyn in der Ventiltriebsimulation

 

 

Ventiltriebsdynamik

 

Als generelles Mehrkörpersimulationsprogramm ist RecurDyn sehr gut für die Ventil­trieb­simulation von Motoren geeignet. Zielsetzung ist hierbei die Abbildung der Ventil­triebdynamik, insbesondere die Erfassung von Ventiltriebschwingungen, die zu einer Herabsetzung der Grenzdrehzahl, einer Verschlechterung des Ladungswechsels und zu entsprechender Geräusch­bildung mit hohem Verschleiß führen.

Die Ventiltriebschwingungen werden in der Regel durch folgende Parameter angeregt, die bei einer rein kine­ma­tischen Betrachtungsweise nicht be­rück­­sichtigt werden. Hierzu gehören im wesentlichen Drehzahlschwankungen an der Nockenwelle (Anregungen vom Steuertrieb über Kette, Riemen oder Zahnräder und Torsionsschwingungen in der Welle), Bauteilelastizitäten (Hebelsteifigkeiten, Biegung und Torsion), sowie die Dynamik der Ventil­federn und der hydraulischen Spiel­ausgleichselemente (HVA – Elemente).

Die aus den dynamischen Vorgängen resultierenden höheren Kräfte, können nach der Simulation mit RecurDyn für die Auslegung der Ventiltriebskomponenten (z.B. Kipphebelkonstruktion) verwendet werden.

 

 

Funktionalität für die dynamische Ventiltriebsimulation

 

RecurDyn bietet für die Erfassung der Ventiltriebsdynamik unterschiedliche Detaillierungstiefen für die einzelnen Modellierungselemente. Hierdurch lassen sich beispielweise in der Konzeptphase grundsätzliche Tendenzen schnell ableiten und Parameterstudien durchführen. Das Simulationsmodell bleibt überschaubar und vor allem nachvollziehbar. So lässt sich beispielweise die erste Biegeeigenfrequenz eines Kipphebels sehr gut durch eine einfache Torsionsfeder bzw. Torsionsdämpfer darstellen, da die höheren Biegeschwingungen in der Regel ohnehin außerhalb des Anregungsspektrums des Ventiltriebes liegen. Für weitergehende Fragestellungen (z.B. Spannungsverlauf im Kipphebel unter dynamischer Belastung) oder mehr­dimensionaler Verformung, kann dann das einfache Kipphebelmodell durch einen flexiblen Körper ersetzt werden.

Die folgenden Einflüsse lassen sich mit RecurDyn sehr schnell erfassen:  

 

Bauteilsteifigkeiten:

 

Kipphebel- / Schlepphebelschwingungen:

 

Vorteil: Einfache Erfassung der statischen Biegsteifigkeit und der ersten Biegeschwingung. Ausreichend für viele Anwendungen. Gut geeignet für Para­meterstudien und in der Konzeptphase.

Nachteil: Biegesteifigkeit muss aus Messung/Versuch ermittelt werden. Dynamik wird aufgrund der angenäherten Masse­ver­teil­ung nicht exakt erfasst.

 

Vorteil: Genauere Erfassung der Biegelinie auch bei mehr­dimensionaler Bean­spruch­ung und Verformung.

Genauere Abbildung der Schwingformen durch eine exaktere Masseverteilung bei der Berechnung der Eigenformen. Möglichkeit der Spannungsberechnung.

Nachteil: FE - Modell muss erstellt werden. RecurDyn bietet hierbei Schnittstellen zu ANSYS, MSC.NASTRAN, IDEAS. Parameter­studien sind nicht einfach durchführbar.

 

Ventil- und Stößelstangenverformungen:

 

Für die Simulation der Längsdehnung bzw. Stauchung von Ventilen und Stößelstangen steht jeweils ein Mehrmassenmodell mit translatorischen Steifigkeiten zur Verfügung. Die Abbildung der Biegeelastizität erfolgt über flexible Körper (Balkenelemente von RecurDyn oder flexible Körper aus FE – Programmen). Durch die Berücksichtigung der Elastizitäten lässt sich z.B. die Ventilschaftbiegung durch Querkräfte (Reibungseinflüsse) erfassen oder das Ventilaufsetzen detaillierter analysieren. 

 

Nockenwellendrehschwingungen / Nockenwellenbiegung:

    

Bei der Simulation des Gesamtventiltriebes können Nockenwellenelastizitäten berücksichtigt werden. Bei einer Drehschwingungsanalyse wird die Nockenwelle als Mehrmasseschwinger mit Torsionsfeder bzw. Torsionsdämpferelementen diskretisiert. Die Erfassung von mehrdimensionaler Verformung wie zusätzlichen Biegeeinflüssen erfolgt über flexible Körper (Balkenelemente von RecurDyn oder flexible Körper aus FE – Programmen). In diesem Zusammenhang können Lagerdeformationen und Lagerspiel berücksichtigt werden. 

 

 

Kontaktelemente:

 

RecurDyn bietet als generelles Mehrkörper­simulationsprogramm eine voll­ständige Bibliothek von kinematischen Verbindungs­elementen an.  Alle Gelenke und Kurvenkontakte können Reibung beinhalten.

Für die Berücksichtigung einer Kontaktdynamik mit Steifigkeit, Dämpfung, Spiel und der Simulation eines möglichen Kontaktverlustes (Abheben) stehen besondere 2D und 3D Kontaktelemente zur Verfügung.

Die Kontaktparameter, Steifigkeit, Dämpfung, und Reibung  hierbei linear, oder als nicht-lineare Funktionen definiert werden. Auch die Vorgabe von Kennlinien ist hierbei möglich.

 

 

Federdynamik:

 

Die Ventilfeder kann als einfaches lineares Element, über eine nicht-lineare Kennlinie oder auch als Mehrmasseschwinger mit Kontaktelementen und Windungsschlagen definiert werden. 

 

 

Antriebe / Anregungen:

 

Als Antrieb für die Nockenwelle können einfache kinematische Funktionen (konstante Drehzahl, Drehzahlhochlauf, Fourierreihen,...) oder aber auch gemessene Werte über Kennlinie und Tabellen (Drehzahlschwankungen, Drehmomentverläufe) vorgegeben werden. 

 

 

Ausgabe:

 

Als Mehrkörpersimulationssystem berech­net RecurDyn automatisch alle Bewe­gungs­­größen (Positionen, Winkel, Gesch­windigkeiten, Beschleunigungen) sowie alle sich im System ergebenden Kräfte (Ventilfeder, Kontaktkräfte, Drehmoment­verläufe, ...).

Über die Möglichkeit der Definition von sogenannten Request, kann der Anwender aber auch jede beliebige Ausgabegröße anfordern, die sich aus den oben genannten Größen ableitet. RecurDyn gibt auch die Möglichkeit, eigene C++ oder Fortran­routinen anzubinden (User Requests).

 

 

 

Erstellung von Ventiltriebsmodellen mit RecurDyn

 

Einzelventiltrieb

 

Grundsätzlich kann jedes beliebige Ventiltriebskonzept mit RecurDyn erstellt werden, da sich mit der graphischen Benutzeroberfläche Körper (starr, elastisch) frei anordnen lassen und mit den verschiedenen Verbindungselementen (Gelenke, Kontakte, Federn,...) beliebig verknüpft werden können.

Um den Einstieg zu erleichtern, stehen parametrierte Grundmodelle für die gängigen Ventiltriebskonzepte zur Verfügung (Kipphebel, Schlepphebel, Tassenstößel, ...), die aber leicht vom Anwender variiert und beispielsweise zu Systemen mit variabler Ventilsteuerung (VVT) ausgebaut werden können.

 

Interface zu CDS

 

Da der Einsatz von RecurDyn auf die Ventiltriebsdynamik fokussiert, kommt der Verbindung zu einem Kinematikauslegungsprogramm eine besondere Bedeutung zu. 

 

In der Prozesskette kann in Verbindung mit CDS  folgender Entwicklungsablauf dargestellt werden:

 

CDS:

Auslegung der Ventil­trieb­skinematik bezüglich Geo­metrie, Grenz­dreh­zahl, Federsteifig­keiten, etc. und Berechnung der zuge­höri­gen Nocken­kon­tur auf Basis der Ven­til­beschleunigung. Übergabe der Geome­trie­parameter und Nocken­­kontur an RecurDyn.

 

RecurDyn:

Für das Interface zu CDS werden speziell para­metrierte, bereits aber dynamische Ventiltriebsmodelle zur Verfügung gestellt. Die Parametrierung in RecurDyn bei diesen Modellen basiert auf den vergleichbaren Geometrieparametern wie in CDS, so dass im Interface-File lediglich dieser Parameterdatensatz und das Nockenprofil – File ausgetauscht werden muss. Hierdurch entfällt die Doppelarbeit, das RecurDyn Modell manuell aufbauen zu müssen. Auf der Seite von RecurDyn erfolgt nun die dynamische Berechnung des Ventiltriebkonzeptes bzw. wenn notwendig, die Erweiterung des Modells (Einbau eines flexiblen Körpers etc.). Für den Fall, dass die Ventiltriebsdynamik Probleme aufzeigt, die möglicherweise einfacher durch Änderung der Ventiltriebskinematik (z.B. andere Nockenkontur) behoben werden kann, steht eine „Update“ Möglichkeit zur Verfügung, die gezielt nur die neuen Parameter austauscht, ohne dass das Dynamikmodell wieder von Neuem begonnen werden muss.   

 

Geometrie-

parameter,

Nockenprofil

 

 

Dynamische

Ventilbe-schleunigungg

 

 

CDS                                                       RecurDyn

 

 

Gesamtventiltrieb

 

RecurDyn verfügt über eine sehr effiziente Substrukturtechnik, die es ermöglicht, durch n - faches Referenzieren eines Einzeltriebes (=Substruktur) das Gesamtsystem zu erstellen. Ein Update des Gesamtsystems ist auch in Verbindung mit CDS möglich. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise der Ventiltrieb auch mit dem Steuerkettentrieb verbunden werden.