Dynamische Simulation und Optimierung von Steuertrieben mit triovalen Nockenwellenrädern

 

Die Automobilindustrie befindet sich gegenwärtig in einem starken Wandel, getrieben von den Forderungen nach deutlich reduzierten Abgasemissionen und der Einführung alternativer Antriebskonzepte. Während es bereits Stimmen gibt, die die sofortige Abschaffung des Verbrennungsmotors verlangen, zeigen Studien, dass dieses Szenario nicht realistisch ist. Vielmehr werden voraussichtlich hybride Antriebskonzepte in den nächsten Jahren den Markt dominieren. Je nach Hybridisierungsgrad des Antriebs werden dabei kleine, effiziente und hoch entwickelte Verbrennungsmotoren in Kombination mit elektrischen Maschinen eingesetzt. Demnach sind insbesondere aufgeladene Dreizylindermotoren mit Direkteinspritzung relevant für solche Antriebsstränge. Sie werden in den kommenden zehn bis fünfzehn Jahren eine hohe Marktpräsenz erreichen. Entsprechend diesen Vorhersagen wird die Entwicklung der Dreizylindermotoren weiter vorangetrieben werden.
Bedingt durch die kleine Zylinderzahl, die Aufladung und die immer höhere spezifische Leistung zeigen diese Motoren eine hohe Drehzahlfluktuation, insbesondere bei den für die Hauptbetriebspunkte relevanten geringen Drehzahlen. Da der Steuertrieb direkt durch die Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle zu Schwingungen angeregt wird, entsteht eine entsprechend hohe Dynamik im Steuertrieb, die zu erhöhten Bauteilbelastungen, Geräuschemissionen, Steuerzeitenabweichungen und zu erhöhter Reibung führt. Um die Dynamik möglichst klein zu halten und somit eine präzise Ventilsteuerung und eine geringe Belastung der Komponenten zu gewährleisten, bieten sich triovale Nockenwellenräder an. Mit deren Hilfe kann eine Anregung des Steuertriebs mit der Motorhauptordnung wirksam reduziert werden, indem die in das Zugmittel eingeleiteten Beschleunigungen und Verzögerungen an den Nockenwellenrädern kompensiert werden.

Stand der Technik bei aufgeladenen Dreizylinder-Ottomotoren sind heute zudem zwei Nockenwellenversteller für Ein- und Auslassseite sowie eine, über eine der Nockenwellen angetriebene, Hochdruckkraftstoffpumpe. In Kombination mit den triovalen Nockenwellenrädern ergibt sich daraus eine große Anzahl Parameter, die in der Entwicklung bestimmt werden müssen. Dazu gehören die Steuerzeiten der Ventile und der Hochdruckkraftstoffpumpe sowie die Phasenlage und die Amplitude der triovalen Nockenwellenräder.
All diese Parameter am Prüfstand einzustellen erfordert einen enormen Aufwand, der die Kosten der Entwicklung in die Höhe treibt. Hier kann eine bei der FEV Europe GmbH erarbeitete, fortschrittliche Simulationsmethode Abhilfe schaffen, mit deren Hilfe sehr realistische, in einem Mess-Rechnungsabgleich validierte Ergebnisse produziert werden können, auf deren Basis die Optimierung der zuvor genannten Parameter deutlich vereinfacht wird. Daraus ergibt sich ein klarer Vorteil gegenüber dem konventionellen Entwicklungsprozess durch kürzere Entwicklungszeiten und eine erhebliche Kostenreduktion.

Das dabei eingesetzte Steuertriebmodell beruht auf den realen Geometrien des Zugmittels und der Räder, welche als 3D CAD Daten in die kommerzielle Mehrkörpersimulationssoftware der FEV „Virtual Engine“ eingelesen werden. Die Phasenlage der Nockenwellenräder ist im Modell frei einstellbar. Über einen Austausch der 3D Daten der Nockenwellenräder kann außerdem die Amplitude der triovalen Räder variiert werden. Zudem ist gleichzeitig die Anpassung der Steuerzeiten der Ventile und der Kraftstoffpumpe möglich.
Eine Kombination des Steuertriebmodells mit weiteren Submodellen, z.B. des Kurbeltriebs und des Ventiltriebs, ist ebenfalls realisierbar, so dass die Interaktion der Submodelle berücksichtigt werden kann. Jedoch ist es empfehlenswert bei einer großen Anzahl Parameter die Systemkomplexität möglichst gering zu halten, um kurze Rechenzeiten zu garantieren und den Modellierungsaufwand zu minimieren. Je nach Systemgrenze werden die Anregungen am Kurbelwellenrad und den Nockenwellen bzw. den Nockenwellenrädern oder direkt im Zylinder eingeleitet. Entsprechend werden entweder Drehzahlfluktuationen und Drehmomente oder der Zylinderdruckverlauf als Anregung aufgeprägt.

Die Wechselwirkung der triovalen Nockenwellenräder mit den anderen zuvor genannten Parametern, sowie Variationen im Layout des Steuertriebs oder des Spannsystems, kann umfangreich untersucht werden und ist mit vergleichsweise geringem Aufwand umsetzbar. Als Kriterien für die Wahl der besten Parameter können Systemantworten wie Trumkräfte, Achslasten, freie Trumschwingungen oder Steuerzeitenabweichungen herangezogen werden. Ein System mit niedriger Dynamik und kleinen Kraftspitzen ist dabei das Ziel. Daraus ergibt sich gegebenenfalls eine mögliche Absenkung der Vorspannung und eine damit einhergehende reduzierte Bauteilbelastung und geringere Reibung.
Der gesamte Themenkomplex, der die Beschreibung des Simulationsansatzes und des Modells, die Modellvalidierung sowie eine beispielhafte Systemoptimierung umfasst, wird auf der 8. VDI Fachkonferenz Umschlingungsgetriebe am 13.-14.12.2017 in Nürtingen bei Stuttgart in einem Vortrag mit dem Titel „Dynamische Simulation und Optimierung von Steuertrieben mit triovalen Nockenwellenrädern“ detailliert behandelt.

 

 

Autoren des Artikels

Dipl.-Ing. Sebastian Lutz, Projektingenieur, Diesel Powertrains, FEV Europe GmbH, Aachen

Dr.-Ing. Sebastian Sonnen, Teamleiter, Gasoline Powertrains, FEV Europe GmbH, Aachen

Dr.-Ing. Mirko Plettenberg, Abteilungsleiter, Gasoline Powertrains, FEV Europe GmbH, Aachen

Dr.-Ing. Sven Lauer, Abteilungsleiter, Diesel Powertrains, FEV Europe GmbH, Aachen