Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT)

Untersuchungen von hydraulischen Kettenspannern

Für das zuverlässige Funktionieren eines Steuerkettentriebs ist das darin enthaltene hydraulische Spannelement von zentraler Bedeutung. Es muss die notwendige Vorspannung des Kettentriebs gewährleisten, um ein Überspringen der Kette zu verhindern und auftretende Triebresonanzen bedämpfen.

Hydraulische Spannelemente bestehen im Prinzip immer aus einem Gehäuse, in dem ein Kolben mit leichtem Spiel geführt ist. Zur Vorspannung des Systems ohne Öldruck kommt eine mechanische Feder zum Einsatz. Über ein Zuleitungsventil, bestehend aus einer Stahlkugel, die über eine Ventilfeder auf die Zuleitungsbohrung gedrückt wird, wird der sog. Hochdruckraum mit Öldruck beaufschlagt. In der Dämpfungsphase wird Öl durch den kreisringförmigen Leckspalt aus dem Hochdruckraum herausgequetscht. Komplexere Bauformen verfügen zusätzlich über Druckbegrenzungsventile und/oder über labyrinthförmige Zu- und Ablaufbohrungen.

Experimentelle Spannelement-Untersuchungen:

Zur Untersuchung hydraulischer Spannelemente über einen weiten Betriebsbereich hinweg steht am MEGT-Lehrstuhl ein Prüfstand zur Verfügung, mit dem die dynamische Spannelement-Kraft und das Dämpfungsverhalten bei unterschiedlichen Anregungsamplituden und Frequenzen (bis 250 Hz) ermittelt werden können. Kernstück ist ein rotierender Exzenternocken, der ein Pendel zu einer Sinusbewegung anregt und über eine Kontaktkugel momentenfrei auf das Spannelement überträgt. Je nach Nockenkontur und Einbauabstand des Spannelements zur Pendelachse können Anregungsamplituden von derzeit 0,1 bis 2,0 mm realisiert werden. Die Ölkonditionier-Einrichtung erlaubt es, verschiedene Drücke und Temperaturen in der Zuleitung zum Spannelement einzustellen. Für Untersuchungen, die den Verschäumungsgrad des Öls als Parameter beinhalten, ist eine Gasgehalt-Messeinrichtung in die Zuleitung integriert.

Aus den gemessenen Kraft- und Weg-Signalen können Hysterese-Kurven abgeleitet werden. Diese ermöglichen zum einen die Charakterisierung der Eigenschaften eines Spannelements bei unterschiedlichen Betriebszuständen, zum anderen können Dynamikmodelle des Spannelements validiert werden, die für die Steuerkettentrieb-Simulation benötigt werden.

Aufgrund der Modularität der Prüfeinrichtung können für alle gängigen Spannelemente in Abhängigkeit von konstruktiven und Betriebs-Parametern die Auswirkungen auf die dynamische Spannelement-Kraft, das Dämpfungsvermögen und die Ventildynamik des Elements untersucht werden.

Dynamiksimulation:

Zur praxisnahen Dynamiksimulation von Steuerkettentrieben ist die möglichst genaue Abbildung der Spannelement-Dynamik notwendig. Im Rahmen von vorhandenen Kettenberechnungsprogrammen bzw. von kommerziellen MKS-Tools existieren zwar entsprechende Modellbeschreibungen. Sie alle gehen dabei aber ausnahmslos von einer geometrisch idealen konzentrischen Lage des Kolbens in der Gehäusebohrung aus, die eine konstante Leckspalthöhe über den Umfang zur Folge hat. Am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik wurde ebenfalls ein derartiges 1D-Modell aufgebaut, das über eine User-Subroutine in jedem beliebigen MKS-Programm eingebaut werden kann.

Die Abbildungsgenauigkeit der 1D-Modelle ist im unteren Frequenzbereich hinreichend genau. Für höhere Anregungsfrequenzen treten zunehmend Abweichungen zwischen Simulationsergebnis und gemessenen Werten auf Diese sind auf die Ventildynamik sowie auf auftretende Kolbenverkippungen im Spalt zurückzuführen.

Um die Ventildynamik insbesondere bei kleinen Öffnungsquerschnitten im MKS-Modell abbilden zu können, werden Vergleichssimulationen mit einem CFD-Programm durchgeführt. Mit ihm lassen sich die Strömungsverhältnisse berechnen und Parameter für die Dynamikberechnung ableiten.

Um die Kolbenverkippung berücksichtigen zu können, wurde das 1D-MEGT-Modell zu einem dreidimensionalen Modell erweitert (3D-MEGT), bei dem der Kolben 6 Freiheitsgrade besitzt und über Dämpfungs- bzw. Kontaktkräfte in der Kolbenbohrung geführt wird. Da der Kolben bezüglich der Bohrungsachse verkippen kann, sind die Spalthöhe und damit der hydraulische Widerstand nicht mehr über die gesamte Spaltlänge konstant. Der Strömungswiderstand des Leckspalts wird durch eine Diskretisierung in Elemente bestimmt, bei der die jeweilige Element-Exzentrizität berücksichtigt wird.

Mit dem 3D-MEGT-Modell ergibt sich – wie im Experiment – eine Kurvenschar, was auf die unterschiedlichen Anfangsbedingungen je Zyklus (Kolbenposition, hydraulischer Widerstand, Innendruck) zurückzuführen ist. Die mit dem 3D-Modell berechneten Hysterese-Kurven zeigen eine höhere Abbildungsgenauigkeit als 1D-Modelle.

Literatur:

  • Nicola, A.; Sauer, B.: Experimentelle Untersuchung und Dynamiksimulation des Betriebsverhaltens hydraulischer Spannelemente, VDI-Tagung „Schwingungsdämpfung“, 16.-17. Oktober 2007, Wiesloch.
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