CAE optimiert Müdigkeit in Dieselmotor-Kurbelwellen

Stellen Sie sich einen Schwerlastwagen vor, der sich in unwegsamem Bergland bewegt, sein Motor brüllt vor Kraft. Hinter diesem scheinbar einfachen Szenario verbirgt sich eine kritische Komponente, die unvorstellbarem Stress ausgesetzt ist – die Kurbelwelle. Als eines der Kernelemente des Motors hat die Zuverlässigkeit der Kurbelwelle direkten Einfluss auf die Gesamtleistung und Langlebigkeit der Maschine. Aber wie können Ingenieure einen stabilen Betrieb unter extremen Bedingungen gewährleisten und gleichzeitig katastrophale Ermüdungsbrüche verhindern?

In Verbrennungsmotoren erfüllt die Kurbelwelle die lebenswichtige Funktion, die oszillierende Bewegung der Kolben in eine Rotationskraft umzuwandeln, die Fahrzeuge und Geräte antreibt. In Zusammenarbeit mit Zylinderköpfen, Pleuelstangen, Nockenwellen und Motorblöcken halten Kurbelwellen während ihrer gesamten Lebensdauer komplexen, sich wiederholenden dynamischen Belastungen stand.

Zu diesen Belastungen gehören Kräfte, die durch den Verbrennungsdruck im Zylinder und Trägheitskräfte aus ungleichmäßiger Massenverteilung erzeugt werden. Konstruktive Merkmale wie Kurbelzapfen-Hohlkehlen und Ölbohrungen erzeugen Spannungskonzentrationszonen – Hauptstellen für potenzielle Ermüdungsbrüche. Als häufigste Ausfallart bei Kurbelwellen können Ermüdungsrisse schwere Motorschäden und potenziell gefährliche Unfälle verursachen, was eine Zuverlässigkeitsprüfung unerlässlich macht.

Moderne Konstruktionsherausforderungen – einschließlich der Anforderungen nach höherer Nutzlast, geringerem Gewicht, verbessertem Wirkungsgrad und kürzeren Lastzyklen – haben den Druck auf die Kurbelwellenkonstruktion erhöht. Traditionelle Konstruktionsmethoden, die sich auf Erfahrung und physische Tests stützen, erweisen sich als zeitaufwändig und kostspielig. Computergestützte Entwicklung (CAE) ermöglicht jetzt die Leistungsprädiktion und -optimierung in frühen Konstruktionsphasen, wodurch die Entwicklungszeiten erheblich verkürzt und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessert wird.

Diese Forschung stellt einen umfassenden CAE-basierten Entwicklungsansatz für Kurbelwellen von Vierzylinder-Dieselmotoren vor, der von der Konzeptentwicklung bis zur endgültigen Validierung reicht. Die Methodik umfasst diese wichtigen Analysephasen:

• Freie Schwingungsanalyse: Bestimmt Eigenfrequenzen und Eigenformen, um modale Parameter anzupassen und Resonanzbedingungen zu verhindern, die Schwingungen verstärken und die Ermüdung beschleunigen könnten.
• Biege-/Torsionssteifigkeitsanalyse: Bewertet den Widerstand jedes Kurbelzapfens gegen Verformung, da eine unzureichende Steifigkeit die Motorleistung und -lebensdauer beeinträchtigen kann.
• Spannungskonzentrationsfaktor (SCF)-Berechnung: Identifiziert lokalisierte Spannungsspitzen in kritischen Hohlkehlenbereichen, wo Ermüdungsbrüche typischerweise entstehen.
• Transiente Dynamikanalyse: Simuliert das Verhalten des kompletten Kurbeltriebsystems (einschließlich Schwungrad und Riemenscheibe) unter Betriebsbedingungen, um Spannungsverteilungsmuster abzubilden.
• Ermüdungslebensdauerbewertung: Verwendet Spannungsergebnisse aus der transienten Analyse, um die Lebensdauer mithilfe spezieller Software (z. B. FEMFAT) vorherzusagen, was die Konstruktions- und Wartungsstrategien beeinflusst.

3.1 Lastaufbringung und Randbedingungen

Eine präzise Lastsimulation bildet die Grundlage für eine genaue CAE-Analyse. Die Forscher wenden zylinderspezifische Kräfte entsprechend der Zündfolge an und modellieren zwei volle Kurbelwellenumdrehungen, um alle Verbrennungsereignisse abzudecken. Abgeleitet von Druck-Kurbelwinkel (P-θ)-Diagrammen werden dynamische Lasten als winkel-/zeitabhängige Funktionen an entsprechenden Stellen implementiert. Der Rotationszyklus wird in 360 Inkremente für eine detaillierte Auflösung unterteilt.

Randbedingungen replizieren die tatsächlichen Einbaubedingungen – Hauptlagerzapfen erhalten feste oder lagertypische Auflager, um Motorblockverbindungen zu simulieren. Zusätzliche Überlegungen umfassen die Auswirkungen des Schmierölfilms, der die Reibung reduziert und gleichzeitig das Schwingungsverhalten beeinflusst.

3.2 Freie Schwingungsanalyse

Diese Phase identifiziert die Eigenfrequenzen und die entsprechenden Eigenformen ohne äußere Anregung. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode diskretisieren Analysten die Kurbelwelle in Berechnungselemente, um Bewegungsgleichungen zu lösen. Ergebnisse leiten strukturelle Anpassungen an – Modifizierung der Steifigkeit oder Massenverteilung – um die Eigenfrequenzen aus den Betriebsanregungsbereichen zu verschieben und Resonanzen zu vermeiden.

3.3 Bewertung der Biege- und Torsionssteifigkeit

Als kritische Indikatoren für den Verformungswiderstand werden die Biege- und Torsionssteifigkeitswerte durch Finite-Elemente-Simulationen berechnet, bei denen Moment- oder Drehmomentlasten angelegt werden. Übermäßige Verformung durch unzureichende Steifigkeit kann die Zylinderabdichtung (Biegen) beeinträchtigen oder die Leistung reduzieren (Torsion). Ergebnisse fließen in Dimensions- oder Materialoptimierungen zur Verbesserung der Steifigkeit ein.

3.4 Bestimmung des Spannungskonzentrationsfaktors

Geometrische Diskontinuitäten wie Hohlkehlenübergänge und Ölbohrungen erzeugen eine lokalisierte Spannungsintensivierung – der Haupttreiber für Ermüdungsversagen. SCF-Werte (Verhältnis von Spitzen- zu Nennspannung) werden durch verfeinerte Finite-Elemente-Vernetzung und Spannungsfeldrechnungen abgeleitet. Ergebnisse leiten geometrische Verbesserungen wie vergrößerte Hohlkehlenradien oder optimierte Übergangsprofile zur Minderung von Spannungskonzentrationen an.

3.5 Transiente dynamische Simulation

Diese erweiterte Analyse erfasst das zeitabhängige Systemverhalten einschließlich Trägheits-, Dämpfungs- und nichtlinearer Effekte. Komplexe Kurbeltriebmodelle umfassen Pleuelstangen, Kolben, Schwungräder und Riemenscheiben. Durch die Simulation realer Szenarien – Anfahren, Beschleunigen, Verzögern – erzeugt die Analyse Verschiebungs-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Spannungshistorien für die Ermüdungsbewertung.

3.6 Ermüdungslebensdauerprognose

Mithilfe von transienten Spannungshistorien als Eingabe wendet die Ermüdungsanalyse-Software S-N- oder ε-N-Kurvenmodelle an, um die kumulative Schädigung durch zyklische Belastung zu berechnen. Wenn die Schadensakkumulation kritische Schwellenwerte erreicht, tritt ein Ausfall auf. Diese Vorhersagefähigkeit informiert über die Konstruktionslebenserwartungen und Wartungspläne.

CAE-Ergebnisse ermöglichen die datengestützte Bestimmung von Maßspezifikationen, Materialauswahl und Wärmebehandlungsverfahren. Strukturoptimierungen können Modifikationen des Kurbelwellenprofils, verbesserte Hohlkehlendesigns oder Massenreduzierungsstrategien umfassen. Ingenieure müssen auch die Kurbelwellenparameter mit angrenzenden Komponenten koordinieren – Pleuelgeometrie, Schwungradmasseeigenschaften – um die Systemkompatibilität sicherzustellen.

Diese CAE-basierte Methodik bietet eine umfassende Leistungsbewertung der Kurbelwelle vom ersten Konzept bis zur endgültigen Validierung. Die Integration von Schwingungsanalyse, Steifigkeitsbewertung, Spannungskonzentrationsabbildung, transienter Dynamik und Ermüdungsprognose ermöglicht gezielte Optimierungen, die Entwicklungszeit und -kosten reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern. Mit dem Fortschritt der CAE-Technologie wird ihre wachsende Rolle in der Kurbelwellenkonstruktion weiterhin Innovationen in Bezug auf Motorleistung und -haltbarkeit vorantreiben.