Numerische Simulation eines ölgeschmierten Getriebes mit dem VoF-Modell zur Ermittlung der Planschverluste

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Klaus Hase
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1 Numerische Simulation eines ölgeschmierten Getriebes mit dem VoF-Modell zur Ermittlung der Planschverluste Felix Sträubig Technische Universität Berlin Dr. Andreas Spille-Kohoff CFX Berlin Software GmbH

2 Inhalt Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Pre-Processing Geometrie und Vernetzung Modellbildung mit dem Volume-of-Fluid-Modell Auswertung Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell Parameterstudien Folie 2

Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Getriebe sind Maschinenelemente, mit denen Drehzahlen und Drehmomente übertragen und umgewandelt werden

3 Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Getriebe sind Maschinenelemente, mit denen Drehzahlen und Drehmomente übertragen und umgewandelt werden können. Gängige Bauarten: (Quelle: Schlecht, Berthold (2010). Maschinenelemente. 2. Getriebe, Verzahnungen, Lagerungen. Pearson Studium. (Modifiziert) ) Folie 3

4 Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Aufgabe des Schmiermittels: Reduzierung der Reibung an den Zahnflanken Wärmeabfuhr Schutz der Dichtungen Verringerung des Verschleißes Arten der Schmierung: Öl-Einspritzschmierung Öl-Nebelschmierung Öl-Tauchschmierung Folie 4

5 Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Verluste entstehen durch: die Verzahnung (Z) die Lager (L) die Dichtung (D) weitere Bauteile (X) P V = P VZ + P VL + P VD + P VX Verzahnungsverluste lassen sich in einen lastabhängigen (ZP) und einen lastunabhängigen Anteil (Z0) einteilen. P VZ = P VZP + P VZ0 Folie 5

6 Grundlagen der Zahnradgetriebe und Schmierung Allgemein gilt: P = ω M Für die Verlustleistung gilt: P V = ω M V Das strömungsmechanische Widerstandsmoment lässt sich in einen Druckanteil und einen Reibungsanteil aufteilen. M V = M VP + M VR Folie 6

7 Geometrie und Vernetzung Vergleichbares Getriebe CAD-Modell des Getriebes (Quelle Strama-MPS. fzg-zahnrad-verspannungspruefstand/) Freundlicherweise zur Verfügung gestellt von der Technischen Universität München Folie 7

Die Anwendung von TwinMesh zur Vernetzung von Zahnradgetrieben soll nun erprobt

8 Geometrie und Vernetzung TwinMesh ermöglicht eine hochqualitative Vernetzung von achsparallelen Rotationsverdrängermaschinen. Die Anwendung von TwinMesh zur Vernetzung von Zahnradgetrieben soll nun erprobt werden. Quelle: Folie 8

9 Geometrie und Vernetzung 2D-Berechnungsgitter Ca Knoten Folie 9

10 Geometrie und Vernetzung 3D-Berechnungsgitter Ca Knoten Folie 10

11 Modellbildung mit dem Volume-of-Fluid-Modell Volume-of-Fluid-Modell (VoF-Modell) Zweck: Wird bei Mehrphasensimulationen verwendet Dient der Modellierung freier Oberflächen Prinzip: Interfaceerfassungsmethode Volumenanteile der Komponenten werden als zusätzliche Erhaltungsgrößen eingeführt Folie 11

12 Modellbildung mit dem Volume-of-Fluid-Modell Phasengrenze zwischen Öl und Luft im VoF-Modell Folie 12

13 Modellbildung mit dem Volume-of-Fluid-Modell Folie 13

14 Modellbildung mit dem Volume-of-Fluid-Modell Löser ANSYS CFX Turbulenz SST-Modell Mehrphasensimulationen VoF-Modell Freie-Oberflächenmodell Oberflächenschärfung Transiente Berechnung Winkelschritt: 0,5 30 Netze / Zahn Folie 14

15 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell 2D-Modell (n1 = -520,2 U/min ; n2 = 348,6 U/min) Ölverteilung nach einer Großraddrehung um 120 Folie 15

16 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell 2D-Modell (n1 = -520,2 U/min ; n2 = 348,6 U/min) Ölverteilung nach einer Großraddrehung um 720 Folie 16

17 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell 3D-Modell (n1 = -520,2 U/min ; n2 = 348,6 U/min) Ölverteilung nach einer Großraddrehung um 360 Folie 17

18 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell Folie 18

19 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell Folie 19

20 Vergleich zwischen dem 2D- und 3D-Modell Simulationen mit dem 2D-Modell führen zu einer realitätsfernen Verteilung des Öls Die Ölverteilung beim 3D-Modell erscheint plausibel Am Zahneingriff und an den Zahnzwischenräumen treten Strömungsgeschwindigkeiten in axialer Richtung auf Das 2D-Modell stellt keine Alternative zum 3D-Modell dar Folie 20

21 Parameterstudien Durch Parameterstudien soll der Einfluss auf das Verlustmoment bestimmt werden Variierte Parameter: Drehzahl Viskosität Ölstand Folie 21

22 Parameterstudien Variation der Drehzahl n1 = -50 U/min n1 = -150 U/min n1 = -520,2 U/min Folie 22

23 Parameterstudien Variation der Drehzahl Folie 23

24 Parameterstudien Variation der Viskosität Folie 24

25 Parameterstudien Variation des Ölstands viel Öl wenig Öl (n1 = -150 U/min; n2 = 100 U/min) Folie 25

26 Parameterstudien Variation des Ölstands Folie 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung Folie 27

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