2. RC VCJB - Kolokvium VCJBfs12120.fsid.cvut.cz/wordpress/wp-content/uploads/2016/01/WP08_… · ozubených kol (VUT v Brně) –Deformace struktury (Hertzův výpočet nebo MKP kontaktní

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka- AutoSympo a Kolokvium Božek 5. a 6. 11. 2014, Roztoky -

TE 0102 0020 Str. 1 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

Centrum kompetence

automobilového průmyslu

Josefa Božka

WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek

Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku

Vysoké učení technické v Brně – doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Tým – Ing. Ondřej Maršálek, Ing. Peter Raffai, Ing. Josef Dlugoš, Ing. Jiří Knotek

Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku

České vysoké učení technické v Praze – Ing. Miroslav Emrich, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci – Ing. Robert Voženílek, Ph.D.

Hlavní cíl balíčku

Výzkum, vývoj a realizace výpočtových a experimentálních přístupů vhodných ke kompletnímu řešenímechanických ztrát s následnými návrhy pro snížení spotřeby paliv a emisí CO2 budoucích pohonnýchjednotek na bázi spalovacích motorů, elektromotorů nebo hybridních pohonů.

Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období

WP08M01: Soubor zobecněných návodů pro návrh a optimalizaci parametrů nové generace pohonnýchjednotek splňujících budoucí legislativní nároky v oblasti emisí CO2 a spotřeby fosilních paliv 12/2015.

WP08C02: Soubor výsledků řešení problematiky mazací soustavy pohonné jednotky 12/2015.



Centrum kompetence


Josefa Božka

Úvod


Virtuální pohonná jednotka

Výpočtové přístupy na bázi MBS

Specializované experimentální přístupy, komponenty

Ověření dílčích řešení

Výš

ka p

rofilu

[μm

]

Analýza komponentExperimentální jednoválec

Experimentální přístupy –kompletní pohonné jednotky

Víceválcový motor

Dynamika & tribologie komponent

Specializované výpočtové přístupy

BearDYN 4.0

Nová řešení pro zvýšení mechanické účinnosti

pohonných jednotek



Centrum kompetence


Josefa Božka

Reálné povrchy kluzných dvojic – přehled činností (VUT v Brně)

– Pokračování vývoje jednotlivých dílčích výpočetních přístupů

• Softwarové generování drsných povrchů

• Skenování reálných povrchů

• Měření a statistický popis reálných povrchů

– Vývoj specializovaného řešiče popisující smíšené mazání (Mixed Lubrication)

• Vliv kontaktu nerovností na hydrodynamické mazání

• Výpočet kontaktní tlaků na základě reálných povrchů


Řešení hydrodynamiky s vlivem nerovnosti povrchů

Cílená topografie povrchu

Reálné povrchy

Pro

file

hei

ght

[μm

]

Number of shifted grid points [-]Nu

mb

er

of

shif

ted

grid

po

ints

[-]

Statistický popis

BearDYN 4.0



Centrum kompetence


Josefa Božka

Softwarové generování drsných povrchů (VUT v Brně)

– Generování drsných povrchů s charakteristickými rysy (soustružení, frézování, honování atd.)

– Fraktální přístup

• Návaznost na další výpočetní modely

– Statistický přístup

• Směrově závislé povrchy

• Rychlost, jednoduchost


max

1/2( 2)

( 3)

,

1 0

2 2 1/21

,

ln( , ) cos

2π ( ) π cos cos tan

f

f

D nMD nf

f m n

m n

n

m n

Gz x y L

L M

x y y m

L x M

max

log /int

log

S

f

L Ln

,

1 0

( , )n m

x k y l

k l

z x yn m



Centrum kompetence


Josefa Božka

Skenování reálných povrchů (VUT v Brně)

– Zkušební vzorky

– Komponenty


Výšk

a p

rofilu

[μm

]

Zkušební vzorek – DLC povrch

Výšk

a p

rofilu

[μm

]

Pánev kluzného ložiska



Centrum kompetence


Josefa Božka

Popis drsných povrchů (VUT v Brně)

– Kvantifikace směrové závislosti drsných povrchů

• Plošná autokorelační funkce (AACF)


Příklady kontaktních ploch podélně orientovaných (γR>1), izotropních (γR=1) a příčně orientovaných (γR<1) povrchů

0,5

1 1 0,5

1( , ) ( , ) ( , ),

( )( )

N j M ix

i j k l k i l j R

l k y

R x y x yM i N j

[AACF]

Obecný povrch AACF (3D)

Výšk

a p

rofilu

[μm

]

Pro

file

hei

ght

[μm

]


mb

er o

f sh

ifte

dgr

id p

oin

ts [

-]

Počet posunutých uzlových bodů sítě [-]

Poče

t posu

nutý

ch u

zlových

bodů s

ítě [

-]

AACF (2D)

Pro

file

hei

ght

[μm

]


mb

er o

f sh

ifte

dgr

id p

oin

ts [

-]

Výšk

a p

rofilu

[μm

]

Vložka válce



Centrum kompetence


Josefa Božka

Možnosti snížení třecích ztrát cílenou modifikací povrchu kluzných dvojic

Ovlivnění hydrodynamické mazací vrstvy povrchovými drsnostmi

– Popis tenkých vrstev tekutiny s vlivem nerovností – modifikovaná Reynoldsova rovnice

Stanovení ztrátových součinitelů toku

– Řešení průtoku mezi jednotkovými dvěma povrchy


3 3

1 2 1 2( )( ) ( )

12 12 2 2

sT T

x y

U U h U U hh p h p

x x y y x x t

kontakt

Df = 2.9

Df = 2.8

Df = 2.7

Df = 2.5

Df = 2.3

Df = 2.1

Pre

ssu

re f

low

fac

tor ϕ

x[-

]

Ratio h/σ [-]

Tlakový ztrátový součinitel x

Df = 2.9

Df = 2.8

Df = 2.7

Df = 2.5

Df = 2.3

Df = 2.1

Pre

ssu

re f

low

fac

tor ϕ

y[-

]

Ratio h/σ [-]

Tlakový ztrátový součinitel y

Df = 2.9

Df = 2.8

Df = 2.7

Df = 2.5

Df = 2.3

Df = 2.1

Shea

r fl

ow

fac

tor ϕ

s[-

]

Ratio h/σ [-]

Smykový ztrátový součinitel



Centrum kompetence


Josefa Božka

Výpočetní modelování kontaktního tlaku

– Přístup Greenwood & Tripp

– Aplikace Hertzovy teorie

Výšk

a p

rofilu

[μm

]

Skenovaný povrch


3 21/3

32

max 2 2

1

31.0397, / 2 , ,

3,

2

c c

a

E RW R

h R W aN E

W WP P

a a

5/2

8( ) ;

5c

dp d K F

2 2

' 2 2 1 2

1 2 '

1 2

1 12 2 1, ,

3c

c

K E Ra RaE EE

Koeficienty pro přístup Greenwood & Tripp

h/σ [-]

F 5/2

[-]

Tlaková funkce



Centrum kompetence


Josefa Božka

Zjednodušený EHD výpočtový model valivého ložiska nebo kontaktu ozubených kol (VUT v Brně)

– Deformace struktury (Hertzův výpočet nebo MKP kontaktní úloha)

– Deformace olejové vrstvy (Hamrock & Dowson)

– Výsledná pružná a tlumicí síla zahrnují EHD podmínky


2

2 40,319 ln

´ 3

A BS

W R R

E l b

Čarový kontakt Bodový kontakt1/3

2

( ) 1,0397´ ´

S

WW

E R

W > 0

WDWS

W > 0

0,67 0,067

0,53 0,7300 0 2

2,69 ´ ´ 1 0,61´ ´ ´ ´

k

F C

F

U W Wh h h R E e

E R E R

( )S S

S

W

1 1S

S F

W

U relativní rychlosth0 tloušťka oleje0 dynamická viskozita

3 3

0 0

3 3

2H Hp p

D

C C

L e b dh l e bW v

h dt h



Centrum kompetence


Josefa Božka

Aplikace výpočtových metod (VUT v Brně + ŠKODA AUTO)

– Studie vlivu výpočtového modelu – kluzné ložisko řadového tříválce 1,2 HTP

• HD – hydrodynamické řešení

• HD_rho – hydrodynamické řešení s proměnnou hustotou

• HD_full – hydrodynamické řešení s proměnnou hustotou a viskozitou

• EHD – elasto-hydrodynamické řešení, tuhý čep

• EHD_full – elasto-hydrodynamické řešení

• REHD – elasto-hydrodynamické řešení včetně drsných povrchů


0.881 0.879 0.849

1.195 1.2541.302

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Rel

ativ

e ec

cen

tric

ity

[-]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_f

ull

RE

HD

Relativní excentricita

Výsledky řešení pro F = 15 000 N a otáčky n = 3000 min-1

0.492 0.489

0.608 0.576 0.577 0.590

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Tota

l fri

ctio

n m

om

ent

[Nm

]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_f

ull

RE

HD

Třecí moment

2.97 3.02

3.78

2.24

1.85

3.61

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Min

. oil

film

thi

ckn

ess

[m

]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_f

ull

RE

HD

Min. tloušťka olejové vrstvy

BearDYN 4.0



Centrum kompetence


Josefa Božka

3D výpočtový model pístního kroužku – pístu – vložky válce (VUT v Brně)

– Detailní analýza dynamiky kroužku a popis mechanismu profuku pístní skupinou

– 3D multibody diskretizovaný model na základě Timoshenkovy teorie

– Studie počtu elementů


126

0

10

20

30

40

50

0

30

60

90

120

150

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

1st

Na

tura

l fr

eq

ue

ncy

[H

z]

n [-]

Adams ANSYS Difference

223

0

10

20

30

40

50

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

2n

d N

atu

ral

fre

qu

en

cy [

Hz]

n [-]


346

0

10

20

30

40

50

0

75

150

225

300

375

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

3rd

Na

tura

l fr

eq

ue

ncy

[H

z]

n [-]


485

0

10

20

30

40

50

0

125

250

375

500

625

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

4th

Na

tura

l fr

eq

ue

ncy

[H

z]

n [-]


727

0

10

20

30

40

50

0

160

320

480

640

800

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

5th

Na

tura

l fr

eq

ue

ncy

[H

z]

n [-]


1089

0

10

20

30

40

50

0

240

480

720

960

1200

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Dif

fere

nce

[%

]

6th

Na

tura

l fr

eq

ue

ncy

[H

z]

n [-]


Vlastní frekvence (ANSYS a Adams)

126 Hz 223 Hz 346 Hz

485 Hz 727 Hz 1089 Hz

RozdílANSYSADAMS

Vliv diskretizace kroužku

Fi, Mi – silové účinkyu, v, w, a, b, c – posuvy a rotaceKxx – prvky matice tuhosti

Výpočtový multibody model

Spojení typu FIELD – matice tuhosti

21

3



Centrum kompetence


Josefa Božka

Určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru (TUL)

Ve spolupráci s útvarem vývoje motorůŠkoda Auto a.s. byla vytvořena maketačtyřválcového spalovacího motoru pro určenípodílu hlavních konstrukčních skupin nacelkových mechanických ztrátách motoru.Měření probíhá na specializovanémzkušebním stanovišti s využitím metodyprotáčení makety spalovacího motoru.




Centrum kompetence


Josefa Božka

Určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru (TUL)

V současnosti probíhají měření zaměřená na identifikaci mechanických ztrát dílčích částí řemenovéhorozvodu motoru. Maketa motoru má originální klikový hřídel s protivývažky.

Měření proběhnou ve třech fázích:1) měření kompletního rozvodu2) měření rozvodu bez ventilů (s vačkou)3) měření bez řemenu – samotného klikového hřídele


Graf pasivních momentů motoru s rozvodovým řemenem, bez ventilů

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Otáčky klikového hřídele [1/min]

Ztr

áto

vý m

om

en

t n

a

kliko

vém

hří

deli [

Nm

]

T vody=35°CT oleje=35°C





Centrum kompetence


Josefa Božka

Experimentální přístupy pro stanovení mechanických ztrát (ČVUT)


Metoda určování okamžitých mechanických ztrát z měření okamžité úhlovérychlosti a tlaku ve válci:

– Metoda ve fázi ověřování – analýza vhodného způsobu zpracování afiltrace naměřených signálů

– Vyvinut SW pro synchronizovaný záznam rychle proměnných analogovýchveličin a okamžitých otáček motoru měřených čítačovým vstupem snáslednou interpolací do časové domény analogových kanálů.

– Stanoviště dovybaveno o značkovací kotouče a snímače otáček

– Pomocí SW naměřena sada dat (různé otáčky/zatížení) na jednoválcovémvýzkumném motoru AVL SCRE 5404.088 pro ověření metody.

Příprava experimentálního jednoválce pro měření dílčích pasivních odporů prokalibraci matematického modelu:

– Záznam okamžité hodnoty točivého momentu z měřící příruby

– Eliminace pomocných zařízení (vstřikovací čerpadlo nahrazenovolnoběžkou, příprava pohonu čerpadla elektromotorem)



Centrum kompetence


Josefa Božka

Stavba pokročilého matematického modelu v programu GT-Power (ČVUT)

Termodynamický model– Termodynamický model motoru vytvořenýv prostředí GT-SUITE

– Propojení s prediktivním modelemmechanických ztrát

– Doplnění modelu o model profuků přespístní skupinu – simulace nestacionárníhoblow-by




Centrum kompetence


Josefa Božka

Další postup

– Vývoj zkušebního zařízení (VUT v Brně)

– Validace výpočetních modelů technickými experimenty (VUT v Brně)

– Aplikace navržených postupu ve Virtuální pohonné jednotce – koordinace WP07 a WP15 (VUT v Brně)

– Cílené modifikace povrchů (VUT v Brně)

– Aplikace navržených postupů na komponenty pohonných jednotek (VUT v Brně)

– Zjištění dílčích pasivních odporů jednotlivých skupin jednoválcového motoru (vstřikovací čerpadlo, rozvody, protáčení se zavřenými ventily–emulace deaktivace válce, protáčení bez 2. kroužku, protáčení klikové hřídele) (ČVUT)

– Kalibrace modelu dle experimentálních činností (ČVUT)




Centrum kompetence


Josefa Božka

Děkuji za pozornost.


BearDYN 4.0



Centrum kompetence


Josefa Božka

Výsledky WP08 Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek za období 2012 – 2014

Dynamika & tribologie komponent


Virtuální pohonná jednotka


Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky s vysokou mechanickou účinností

Specializované experimentální přístupy, komponenty

Experimentální jednoválec

Ověření dílčích řešení

Experimentální přístupy –kompletní pohonné jednotky

Výš

ka p

rofilu

[μm

]

Analýza komponent

-2

0

2

4

6

8

10

Těsnící 1

Těsnící 2

Stírací

Pro

fuk

[g/m

in]

Profuk pístní skupinoun = 5000 min-1

Tok plynů do válce

Víceválcový motor

2.97 3.02

3.78

2.24

1.85

3.61

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Min

. o

il f

ilm

th

ick

nes

s[

m]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_fu

ll

RE

HD


BearDYN 4.0Tlak v olejové vrstvě – stírací kroužek Tlak

[MPa]



Centrum kompetence


Josefa Božka

Results of WP08 Reducing of powertrain mechanical losses achieved in 2012 –2014

Dynamics & tribology of bearings, rings, tooth wheels, cams, chain etc.

Innovative design, powertrain prototype with high mechanical efficiency

Specialized computational models

Computational models based on MBS

Virtual powertrain

Specialized technical experiments, components

Experimental single cylinder

Technical experiments –complete powertrains

Multi-cylinder engines

Tests of components

Výš

ka p

rofilu

[μm

]

Component analyses (bearings, rings etc.)

-2

0

2

4

6

8

10

Ring 1

Ring 2OCR

Blo

w-b

y [

g/m

in]

Piston assembly blow-by

Flow to cylinder

2.97 3.02

3.78

2.24

1.85

3.61

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Min

. o

il f

ilm

th

ick

nes

s[

m]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_fu

ll

RE

HD

Min. oil film thickness

BearDYN 4.0 Oil film pressure –oil control ring

Pressure[MPa]



Centrum kompetence


Josefa Božka

Výsledky WP08 Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek za rok 2014

Zahrnutí vlivu drsných povrchů na chování olejové vrstvy, generování, skenování a popis povrchů


Aplikace dílčích poznatků


Inovovaný konstrukční návrh ke zvýšení mechanické účinnosti

Specializované experimentální přístupy

Ověření dílčích řešení – výzkumný jednoválec

Kluzná ložiska

BearDYN 4.0 Vývoj numerického řešení

F 5/2

[-] Tlaková

funkce

h/σ [-]

Zahrnutí vlivu kontaktu nerovností, generování koeficientů pro přístupGreenwood a Tripp

Pístní kroužky

2.97 3.02

3.78

2.24

1.85

3.61

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Min

. oil

film

thi

ckn

ess

[m

]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_f

ull

RE

HD


Modifikovaná Reynoldova rovnice, metoda konečných diferencí, SOR, variabilní krok

3 3

1 2 1 2( )( ) ( )

12 12 2 2

sT T

x y

U U h U U hh p h p

x x y y x x t

W > 0

Valivá ložiska

Ověření komponent Ověření pohonné jednotky

Df = 2.9

Df = 2.8

Df = 2.7

Df = 2.5

Df = 2.3

Df = 2.1

Pres

sure

flo

w fa

ctor

ϕx

[-]

Ratio h/σ [-]

Tlakový ztrátový součinitel x



Centrum kompetence


Josefa Božka

Results of WP08 Reducing of powertrain mechanical losses achieved in 2014

Influence of rough surface on lubrication, generation, scanning and description of surfaces

Specialized computational approaches

Application of comp. approaches for components

Computational approaches based on MBS

Innovative design for mechanical efficiency increase

Specialized experimental methods

Tests of partial solutions – single cylinder engine

Slide bearings

BearDYN 4.0 Numerical solution development

F 5/2

[-] Pressure

function

h/σ [-]

Influence of rough surface contacts, coefficient generation for use theGreenwood a Tripp approach

Piston rings

2.97 3.02

3.78

2.24

1.85

3.61

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Min

. oil

film

thi

ckn

ess

[m

]

HD

HD

_rh

o

HD

_fu

ll

EH

D

EH

D_f

ull

RE

HD

Min. oil film thickness

Modified Reynolds equation, Finite Difference Methoda, SOR, variable step

3 3

1 2 1 2( )( ) ( )

12 12 2 2

sT T

x y

U U h U U hh p h p

x x y y x x t

W > 0

Rolling bearings

Tests of components Test of powertrains

Df = 2.9

Df = 2.8

Df = 2.7

Df = 2.5

Df = 2.3

Df = 2.1

Pres

sure

flo

w fa

ctor

ϕx

[-]

Ratio h/σ [-]

Pressure flow factor x

Documents

2. RC VCJB - Kolokvium VCJBfs12120.fsid.cvut.cz/wordpress/wp-content/uploads/2016/01/WP08_… · ozubených kol (VUT v Brně) –Deformace struktury (Hertzův výpočet nebo MKP kontaktní