Verbrennungsmotoren. Eduard Köhler I Rudolf Flierl

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1 Eduard Köhler I Rudolf Flierl Verbrennungsmotoren Motormechanik, Berechnung und Auslegung des Hubkolbenmotors 5., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 313 Abbildungen und 25 Tabellen PRAXIS ATZ/MTZ-Fachbuch VIEWEG + TEUBNER

2 Vll Vorwort zur 5. Auflage Formelzeichen V XIV 1 Vorbemerkung 1 2 Einleitung Bedeutung der Berechnung im Entwicklungsprozess Abgrenzung zwischen Mechanik und Thermodynamik Anmerkungen zum ausgewählten Stoff und zur Vertiefung Ziele bei der Neu- und Weiterentwicklung eines Motors 5 3 Kriterien bei der Motorauslegung Zur Veränderlichkeit von Motorkenndaten Definition wichtiger Motorkenndaten Hubvolumen (Hubraum) Leistung und Drehmoment Spezifische Leistung Festlegung der Hauptabmessungen in Verbindung mit der Triebwerksauslegung Hub-Bohrungs-Verhältnis Pleuelstangenverhältnis und Pleuellänge Blockhöhe (Zylinderdeckhöhe) Kolbendurchmesser und Kolbenmasse Kompressionshöhe des Kolbens Hub, Bohrung und Zylinderzahl Zylinderlänge, untere Kolbenschaftlänge, Austauchen des Kolbens Kurbelwellenfreigang und Kolbenschaftlänge Weitere Kolbenhauptabmessungen Weitere Motorhauptabmessungen Zylinderabstand und Stegbreite Zylinderbankversatz bei V-Motoren, Auswirkungen auf Zylinderabstand und Stegbreite Betrachtungen zum optimalen Pleuelstangenverhältnis Betrachtungen zum Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Brennraums Zusätzliche Begriffe und Definitionen Mittlerer effektiver Druck bzw. spezifische Arbeit 40 4 Berechnung und Auslegung von Bauteilen Das Pleuel Funktion, Anforderungen und Gestaltung Beanspruchung des Pleuels Art und Ort der Beanspruchung, Schwachstellen Äußere Kräfte und Momente (Pleuelbelastung) 50

3 VIII Gestaltfestigkeit des Pleuels - konventionelle Berechnungsverfahren Ersatzmodeile zur Ermittlung des Biegemoment-, Normalkraft- und Querkraftverlaufs im Pleuelkopfbzw. Pleuelaugenquerschnitt Wirklichkeitsnahe Lastverteilung im Pleuellagerdeckel bzw. Pleuelauge Schnittkräfte und -momente im Pleuelkopf bzw. Pleuelaugenquerschnitt Betriebskraft der Pleuelkopfverschraubung Festigkeitsberechnung des Pleuels Anmerkungen zur rechnergestützten Pleuelberechnung Konventionelle Berechnungsverfahren zur Auslegung der Pleuelkopfverschraubung Allgemeine Anmerkungen zur Pleuelkopfverschraubung Berechnung der Pleuelverschraubung nach VDI-Richtlinie 2230 [C21] Vorgaben für die Berechnung Elastische Nachgiebigkeiten der Schraubenverbindung Verspannungsschaubild der Pleuelkopfverschraubung Mindestklemmkraft, Klemmkraftverlust und Vorspannkraft Schraubendimensionierung Dynamische Schraubenberechnung, Dauerfestigkeit Ergänzungen zur Pleuelkopfverschraubung Der Kolben Vorbemerkung zur Kolbenberechnung Funktion und Anforderungen Beanspruchung des Kolbens Art und Ort der Beanspruchung, hoch beanspruchte Bereiche des Kolbens Kräfte im Kurbeltrieb Kolbenweg,-geschwindigkeit und-beschleunigung Konventionelle Berechnung des Kolbens Bauarten von Kolben für Otto- und Dieselmotoren, Einsatzgrenzen Kolben für Ottomotoren Kolben für Pkw-Dieselmotoren Kolben für Nkw-Dieselmotoren Großkolben Kolbenbolzenberechnung Art der Bolzenlagerung Einfaches Ersatzmodell für die Bolzenberechnung nach [C42] 98

4 IX Flächenpressung in der Bolzennabe Ovalverformung des Kolbenbolzens Durchbiegung des Kolbenbolzens Beanspruchung des Kolbenbolzenwerkstoffs Beanspruchung der Bolzennabe, Steigerung der Nabenbelastbarkeit Ergänzungen zur Kolbenbolzenberechnung Auslegungszünddruck Maßgebliche Drehzahl für die Kolbenbolzenberechnung Drehzahlgrenze der Kolbenbolzensicherung Zusätzliche Beanspruchung des Kolbenbolzens bei Klemmpleuel, Vergleichsspannung (zwei- und dreiachsig) Berechnung der Kolbenmasse Festlegung der Kolbenaußenkontur Einbauspiel, Laufspiel, Ovalität und Tragbildkorrektur Kolbenschaftelastizität, -ovalität, Tragbildbreite und plastische Verformung Berechnung der Kolbensekundärbewegung Rechnergestützte Festigkeitsberechnung des Kolbens Allgemeine Beschreibung der FEM-Berechnung des Kolbens Thermische Beanspruchung des Kolbens Mechanische Beanspruchung des Kolbens und Gesamtbeanspruchung durch Überlagerung der thermischen Beanspruchung Ergänzungen zur FEM-Berechnung des Kolbens Berechnung der Bolzennabe mit Berücksichtigung des Schmierfilms Berechnung der wirklichkeitsnahen Verformung des Kolbenbolzens CAE-Systeme für die Kolbenauslegung Die Kolbenringe Vorbemerkung zu den Berechnungsmöglichkeiten des Kolbenringverhaltens Funktion und Anforderungen Auf den Kolbenring wirkende Kräfte Elastomechanik des Kolbenrings Tangentialkraft und radiale Pressung Maulweite, Tangentialkraft und Kolbenringparameter krj Einbauspannung, Überstreifspannung, Elastizitäts-Modul und plastische Verformung des Kolbenrings Stoßspielvergrößerung Kolbenringtorsion ( Ring-Twist") 151

5 X Rechnerische Simulation der Kolbenringfunktion Vorbemerkung zu den bekannten Rechenmodellen Simulation der Kolbenringbewegung Simulation der Gasströmung der durchblasenden Verbrennungsgase (Blow-by) Simulation der Kolbenringhydromechanik(-dynamik) Die Kurbelwelle Funktion und Anforderungen Beanspruchung der Kurbelwelle Die Kurbelwelle belastende Kräfte und Momente Zeitlicher Beanspruchungsverlauf der Kurbelwelle Betrachtungen zur statischen Unbestimmtheit der Kurbelwelle Einkröpfungsmodell, Biege- und Torsionsmomente, Nennspannungen Maximale Beanspruchung der Kurbelwelle Hochbeanspruchte Bereiche, Spannungszustand Formzahlen für Biegung und Torsion Gestaltfestigkeit der Kurbelwelle Anmerkung zu den Auslegungsvorschriften von Kurbelwellen für Schiffsmotoren Formzahl und Kerbwirkungszahl Dynamische Festigkeit der Kurbelwellenwerkstoffe, Sicherheit gegen Dauerbruch Kurbelwellenwerkstoffe und -herstellung Rechnergestützte Festigkeitsberechnung der Kurbelwelle Konzept- und Lay-out-Phase bei der Kurbelwellenauslegung Komplexe Berechnungsmodelle für die dynamische Kurbelwellenberechnung Ergänzungen zur rechnergestützten Festigkeitsberechnung der Kurbelwelle, zur Betriebsfestigkeit und zu Auslegungskriterien Das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) Zylinderkurbelgehäuse-(ZKG-)Konzepte ZKG-Konstruktion/-Bauweise Monolithisches und heterogenes (Büchsen-)ZKG-Konzept Open-und Closed-deck-Bauweise Wasserdurchtritt zwischen den Zylindern bzw. zusammengegossene Zylinder, Wassermantel Schürzen-bzw. zweiteilige ZKG-Konstruktion ZKG-Werkstoffe Zylinderlaufflächen-Technologien Grauguss-Zylinderlauffläche Ubereutektische Aluminium-Silizium-Legierung.. 215

6 XI Nickel-Siliziumkarbid-beschichtete Zylinderlauffläche Verbundwerkstofftechnik zur lokalen Erzeugung von Al-Zylinderlaufflächen ZKG-Gießverfahren ZKG-Konzeptvergleich, Entwicklungstrend bei Pkw Beanspruchung des ZKG, allgemeiner konstruktiver Aufbau und Funktionsmerkmale ZKG-Leichtbau Massenreduzierungs-Potenzial Werkstoffeigenschaften von Grauguss und Aluminium im Vergleich ZKG-Berechnung Berechnung des ZKG mittels FEM Zur Berechnung des Temperaturfelds Zur Berechnung der Verformung Spannungsberechnung Anmerkungen zur Hauptlagerverschraubung Anmerkungen zur Zylinderkopfverschraubung Mathematische Beschreibung des Zylinderverzugs Zylinderlaufbüchsen Nasse Büchsen Konstruktive Gestaltung von nassen Büchsen Hinweise zur Dimensionierung und Auslegung nasser Büchsen Trockene Büchsen Schrumpfspannungen (Montagezustand) Überdeckung und daraus resultierende Pressung Wärmespannungen in der Zylinderwand Dynamische Beanspruchung unter Zünddrack, Vergleichsspannung Zylinderverschleiß Der Zylinderkopf (ZK) Konstruktiver Aufbau und Funktionsmerkmale des ZK Die besondere Problematik der thermischen ZK-Beanspruchung Wärmeübergang im Brennraum Globale" Ansätze Erweiterte Ansätze für den Wärmeübergang Wärmeübertragung durch die Bauteilwand Wärmespannungen im ZK Kühlmittelführung im ZK ZK-Werkstoffe und -Gießverfahren Ladungswechselkanäle, Ventilwinkel, Brennraumgeometrie und ZK-Bauhöhe Ladungswechselkanäle Kanalgeometrie und Strömungsbeeinflussung Durchflusszahl für die Drosselverluste Ventilwinkel, Brennraumgeometrie und Bauhöhe 305

7 XII Rechnergestützte Berechnung des ZK Die Zylinderkopfdichtung Funktion und Anforderungen ZKD-Bauarten im Wandel der Zeit Moderne ZKD-Dichtungstechnik Veränderte Einsatzbedingungen Metalllagen-Dichtungen Berechnung und Auslegung von Baugruppen Ladungswechsel Eindimensionale Simulation des Ladungswechsels (nach [16]) Ladungswechsel mit starrem Ventiltrieb Anzahl der Ventile Steuerelemente des starren Ventiltriebes Hydraulische Ausgleichselemente Ventile Nocken Definition der Nockenform Auslegungsprogramme Ventilfedern Erforderliche Ventilfederkraft Berechnung der Ventilfeder Nockenwelle Anmerkungen zu Nockenwellenwerkstoffen, -herstellung und -lagerang Ladungswechsel mit variabler Steuerzeit Ausführungsformen Zweipunktversteller Kettenversteller Schwenkmotoren Ladungswechsel mit variabler Ventilhubumschaltung Ladungswechsel mit variablem Ventilhub - drosselfreie Laststeuerung Ausführungsformen BMW-VALVETRONIC UniValve-System Elektromechanischer Ventiltrieb Berechnung des dynamischen Verhaltens von Ventiltrieben Anmerkungen zur Ventiltriebsreibung, zum Ventiltriebsgeräusch und zur Dynamik des Gesamtsystems Berechnung der Ventiltriebsdynamik mit Mehrkörpersimulation Der Kurbeltrieb Massenausgleich des Hubkolbenmotors Massenausgleich des Einzylindertriebwerks Massenkräfte 1. Ordnung Ausgleichsmöglichkeiten durch Gegengewichte beim Einzylindertriebwerk 383

8 XIII Massenausgleich des Mehrzylindertriebwerks mit Hilfe von Gegengewichten Ausgleich der freien Massenkräfte beim Reihenmotor Ausgleich der freien Massenkräfte beim V2-Triebwerk Ausgleich der freien Massenmomente Massenumlaufmoment Massenausgleich mit Hilfe von Ausgleichswellen Ausgleich von Massenkräften durch Ausgleichswellen; Möglichkeiten und Anwendungen Rollmoment Ausgleich von Massenmomenten durch Ausgleichswellen; Anwendungsbeispiele Anmerkungen zu Triebwerksschwingungen Motorgeräusch Motorgeräusch und Fahrgeräusch - gesetzliche Vorschriften Motorgeräusch - Teilschallquellen und Geräuschursachen Indirekt erzeugtes Motorgeräusch - Entstehung, Übertragung und Abstrahlung Zylinderdruckverlauf und resultierendes Zylinderdruckspektrum Vorausberechnung des akustischen Verhaltens der Motorstruktur Schwingungsverhalten der Motorstruktur Geräuschreduzierende Strukturveränderungen am Zylinderkurbelgehäuse (Motorblock) und deren physikalischer Hintergrund Akustische Betrachtungen zur Kurbelwelle, deren Lagerung und das Verhalten des Schmierfilms im Zusammenhang mit dem inneren" Körperschallleitweg Berechnung der Lufschallabstrahlung von der schwingenden Motorstruktur Anmerkungen zum Berechnungsablauf Abschätzung der abgestrahlten Schallleistung Bemerkung zu weiteren Geräuschquellen am Motor Zusammenfassung und Ausblick 485 Anhang 489 I Anmerkungen zu den Grundlagen der Finite-Element-Methode (FEM) 489 II Zur Matrizen-Theorie der Statik - Verschiebungsmethode 492 III Lösung von Differenzialgleichungen mit Hilfe der FEM 498 IV Anmerkungen zur Finite-Differenzen-Methode (FDM) 503 V Anmerkungen zur Boundary-Element-Methode (BEM) 504 VI Anmerkungen zum modalen Modell" (Modal-Analyse) 505 Literaturverzeichnis 509 Sachwortverzeichnis 527