Die IST mbH wurde 1997 als Spin-Off aus der universitären Forschung der RWTH Aachen und der Universität Kassel heraus gegründet. Wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Ausgründung war das vorhandene Wissenspotential aus umfangreichen Forschungsprojekten und Industriekooperationen in der Methoden- und Softwareentwicklung. Am Standort Aachen werden derzeit 15 Mitarbeiter beschäftigt. Die IST mbH ist eine der führenden Softwareentwickler für elasto-hydrodynamisch gekoppelte Mehrkörpersysteme mit Anwendungsschwerpunkt tribomechanische Beanspruchungsanalyse, Schwachstellenanalyse sowie Ermittlung und Umsetzung von Optimierungspotentialen durch konstruktive sowie fertigungs- und werkstofftechnische Maßnahmen. Das Geschäftsfeld Softwareentwicklung der IST,  bestehend aus Entwicklung, Pflege, Wartung sowie Vertrieb, wird ergänzt durch Engineering sowie bilaterale Softwareentwicklungsprojekte für kundenspezifische Problemstellungen.

In dem Projekt ist die IST mbH zuständig für die Bereitstellung lauffähiger validierter Simulationsmodelle, auf deren Basis vom Projektpartner ivb, TU Braunschweig, Parameterstudien zur Identifikation des Systemverhaltens sowie reibungssenkender Maßnahmen am Großmotor durchgeführt werden.

Die wissenschaftlich technische Problemstellung führt auf das Problem elasto-hydrodynamisch gekoppelter Mehrkörpersysteme mit dem Schwerpunkt Ermittlung der Reibungsverluste in den unterschiedlichen Tribosystemen des Kurbeltriebs. Die theoretische Grundlage der zum Einsatz kommenden Simulationstechniken bildet die elasto-hydrodynamische Schmierungstheorie rauer Oberflächen, wobei die Modelltiefe in Bezug auf Ergebnisgüte, Rechenzeiteffizienz und Modellierungsaufwand angepaßt werden kann.

 

Simulationstechnik

Die Simulation von Mehrkörpersystemen mit hydrodynamischer Kopplung erfordert die Interaktion von vier Feldern

• nichtlineare Mehrkörperdynamik (MKS)
• linearelastischer Strukturdynamik (zusammen EMKS)
• stark nichtlineare Elasto-Hydro-Dynamik mit Mischreibung (EHD)
• thermisches Verhalten von Strukturen und Schmierfilm (TEHD) mit einem stabilen, zeitechten und in der Schrittweite gesteuerten Integrationsschema.

 

Für die Berechnung der hydrodynamischen Lasten auf elastischen Oberflächen wird eine spezielle Variante der Reynolds Gleichungen benutzt, bei der der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Strömung berücksichtigt wird. Die Implementierung benutzt sogenannte Flussfaktoren, die zuvor über einem repräsentativen Ausschnitt einer vermessenen Oberflächenrauigkeit ausgerechnet wurden und den Effekt von Scherung und Druck auf die Strömung zwischen rauen Oberflächen bei verschiedenen Spalthöhen enthalten. Liegt keine vermessene Rauheit vor, kann alternativ eine statistische Verteilung verwendet werden. Weiterhin berechnet der Algorithmus den lokalen Kontaktdruck sobald ein erster Kontakt an Rauheitsspitzen vorliegt. Für die Identifikation von Mischreibung in Lagern hat sich das Verfahren als zuverlässig erwiesen.

 

Wird eine direkte Berücksichtigung des thermischen Verhaltens gewünscht, so wird parallel zu dem oben beschriebenen Vorgehen noch die Energiegleichung zur instationären Wärmeleitung in den Strukturen und dem Schmiermittel gelöst. Die Energiegleichung bringt mit der lokalen Schmiermitteltemperatur, den Oberflächentemperaturen der Lager und der Wärmeausdehnung der Körper in die Simulation des Tribosystems ein. Eine spezielle, die Wärmeflussbilanz erhaltende Beschleunigungstechnik erlaubt die Berechnung von Körpertemperaturen innerhalb weniger simulierter Arbeitszyklen.

 

Modellbildung

Für die Untersuchung der einzelnen Beiträge zur Reibleistung in der Simulation werden verschiedene Modellstufen aufgebaut:

• Lagergasse der Kurbelwelle zur Untersuchung der Reibleistung, des Einlaufverhaltens und der Temperaturen in den Grundlagern
• Kurbeltrieb einzelner Zylinder mit Abschnitt des Motorgehäuses zur Untersuchung der Reibleistung von Pleuellager und der Kolbenbaugruppe ohne Berücksichtigung der Kolbenringe
• EHD-Modell von Grund- und Pleuellager mit Simulation der gekoppelten Ölversorgung
• Kolbenringe mit Berücksichtigung der Kolbensekundärbewegung und Gasdynamik zur Untersuchung der Reibungsverluste an den Kolbenringen

 

Grundlagergasse

Da das wesentliche Augenmerk des Vorhabens auf der Identifikation der Reibungsverluste und die Validierung von mindestens notwendigen Modellierungstiefen für Simulationsmodellen liegt, wurden für das erste Teilmodell nur die Strukturen von Kurbelwelle und Motorgehäuse berücksichtigt. Mit Hilfe von Modellvarianten wurde gezeigt, dass bei Betrachtung der Reibleistung in den Grundlagern eine einfache Darstellung der Kräfte des Kurbeltriebs aus kinematischen Berechnungen ausreicht.

Eine Simulation des Einlaufverhaltens der Grundlagerschalen zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Befundung der Lagerschalen im Prüfmotor nach Abschluss der Einfahrphase.

 

 

Einzelner Kurbeltrieb

Zur genaueren Untersuchung der Tribosysteme rund um Pleuel und Kolben wird jeweils ein Abschnitt von Kurbelwelle und Motorgehäuse verwendet.

In diesem Modell sind Kolben, Kolbenbolzen und Pleuel detailreich ausgeführt, um die Hydrodynamik von Pleuellager, am Kolbenhemd und von der Bolzenlagerung präzise simulieren zu können. Im Bild unten ist das Gesamtmodell des Prüfzylinders mit der Variante 1 des Kolbens mit einer Darstellung der Druckverteilung am Kolbenbolzen zu sehen. Die Berücksichtigung von Warmverzügen von Laufbuchse und Zylinder ist in dieser Modellstufe wesentlich, da die Kolbensekundärbewegung und die Reibungsverluste am Kolben erheblich beeinflusst werden können.

 

 

Kolbenringe

Für eine Simulation der Kolbenringe unter Berücksichtigung der Kolbensekundärbewegung werden die Ringe als elastische Strukturen dargestellt. An den Anlageflächen zu Kolben und Laufbuchse wird die Hydrodynamik unter Berücksichtigung der momentanen Gasdrücke berechnet.

Neben der Reibleistung der Kolbenringe am Zylinder sind auch die Gasvolumenströme (Blowby) ein Ergebnis dieser Simulation. Das Bild unten zeigt die Druckverteilung auf den Flächen der Ringe nahe des Gaswechsel-OT.