Simulation der Ventilbelastung beim Schließvorgang Industrie, Motor

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Verkürzte Entwicklungszeiten in der Ventilauslegung

Neues Modell von Federal-Mogul Powertrain zur Simulation der dynamischen Ventilbelastung beim Schließvorgang

Um zeitintensive Entwicklungsschleifen bei der Auslegung von Ventilen zu vermeiden, hat Federal-Mogul Powertrain eine vereinfachte transiente dynamische Simulation des Schließvorgangs entwickelt. Diese ermöglicht es, die dynamische Belastung von Ventilen vorherzusagen. So können die Ingenieure zuverlässig Verformungen und Spannungen unter Last berechnen und damit Aussagen zu Lebensdauer und Materialauswahl treffen.

Bei der Auslegung von Ein- und Auslassventilen in hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Schließvorgang. Bei diesem trifft das Ventil meistens einseitig auf den Sitzring, was zu erheblichen Belastungen im Ventilschaft führen kann. Eine von Federal-Mogul Powertrain entwickelte und erprobte dynamische Simulation des Schließvorgangs ermöglicht eine genaue Erfassung dieser Belastung und somit eine sicherere Auslegung der Komponente bereits in der Konzeptphase, insbesondere im Hinblick auf die Berechnung der Lebensdauer.

Zum Zeitpunkt der Auslegung von Ventilen für neue Motorenprojekte befindet sich in der Regel auch der Ventiltrieb noch in der Entwicklung. Ventilhersteller müssen sich deshalb auf die Anwendung vereinfachter Simulationsmodelle beschränken, welche die Belastungen für das Ventil auf wesentliche Einflussgrößen wie z.B. die Ventilschließgeschwindigkeit, die Rückstellkraft der Ventilfeder sowie das Spiel zwischen Ventilschaft und Führung reduzieren.

„Für die Auslegung von Einlass- und Auslassventilen ist die Belastung beim Ventilschließen ein entscheidender Faktor“, sagt Gian Maria Olivetti, Chief Technology Officer, Federal-Mogul Powertrain. „Mit der neuen Simulationsmethode können wir schnell die zu erwartenden maximalen Ventilbelastungen ermitteln, um so eine zielgerichtete und zeitsparende Entwicklung zu gewährleisten.“

Mit den aus der transienten dynamischen Finite-Elemente-Simulation ermittelten Spannungen beim Ventilschließen lassen sich neben der Lebensdauerberechnung auch die potenziellen Risiken möglicher Ventil-Designs bewerten. „Unterschiedliche Designs wie die eingeschnürte oder die konische Form der Ventile haben einen deutlichen Einfluss auf die zu erwartenden Belastungen“, erläutert Dr. Guido Bayard, Director Technology, Federal-Mogul Powertrain. „Mit unserer vereinfachten FE-Simulation können wir bereits in einem frühen Stadium der Ventilentwicklung zuverlässige Entscheidungen hinsichtlich Design sowie Material und zudem eine schnelle Aussage zu maximalen Ventilbelastungen und -schädigungen treffen.“
Die mit dem Simulationsmodell ermittelten Ergebnisse konnten in einem von Federal-Mogul Powertrain entwickelten Prüfstand bestätigt werden. Dieser ermöglicht die Betätigung eines einzelnen Ventils sowie die Bewertung einzelner Schließvorgänge. Im Vergleich zu einem kompletten Zylinderkopf eignet er sich besser für die Validierung des Simulationsmodells hinsichtlich der Anforderungen an Flexibilität der testbaren Geometrie, Kontrollierbarkeit der Messungen und Zugänglichkeit der Messtechnik.

Quelle: Federal-Mogul