PREDIKCE OPOTŘEBENÍ NA KONTAKTNÍ DVOJICI V TURBODMYCHADLE S PROMĚNNOU GEOMETRIÍ

PREDIKCE OPOTŘEBENÍ NA KONTAKTNÍ DVOJICI V TURBODMYCHADLE S PROMĚNNOU GEOMETRIÍ Autoři: Ing. Radek Jandora, Honeywell [email protected]

spol

s

r.o.

–

HTS

CZ

o.z.,

e-mail:

Anotace: V ovládacím mechanismu rozváděcích lopatek turbodmychadel s proměnnou geometrií dochází k nežádoucímu opotřebení. Pro účely identifikace míst s největším opotřebením a vyhodnocení předpokládané míry opotřebení je vyvíjen výpočet založený na Archardově rovnici. V tomto článku je ukázán na použití na kontaktní dvojici klika-kapsa ovládacího prstence. Kritická místa identifikovaná výpočtem se shodují s místy s největším opotřebením na těchto částech po testu životnosti turbodmychadla.

Annotation: Parts in the vane control mechanism of variable geometry turbochargers suffer with dry friction wear. To identify areas with highest wear and to evaluate expected amount of wear an algorithm based on Archard’s equation is being developed. In this paper it is presented on an analysis of contact of crank and unison ring pocket. Critical areas identified in the analysis are matching with areas where highest wear occured during a durability test of the turbocharger.

Úvod V posledních letech výrazně klesá spotřeba automobilů. Jednou z nejdůležitějších příčin tohoto zlepšení je užití turbodmychadel v dieselových i benzínových motorech. Největší účinek na snížení spotřeby mají turbodmychadla s proměnnou geometrií. Kvůli náročným podmínkám, kterým je vystaven regulační mechanismus takového turbodmychadla, dochází na jeho součástech k opotřebení, které nežádoucím způsobem ovlivňuje chování turbodmychadla a které je potřeba vyhodnotit. V turbodmychadle se používají odpadní výfukové plyny z motoru o teplotě až 750°C k pohonu turbínového kola, které je připojeno společnou osou ke kompresorovému kolu. Kompresor potom zvyšuje tlak vzduchu vstupujícího do motoru a stlačený vzduch zvyšuje účinnost spalování. Turbodmychadlo musí být schopno zvládnout různé provozní podmínky. Jako příklady mohou být použity časté zastavování a rozjíždění na křižovatkách při provozu ve městě nebo naopak plynulý chod při jízdě na dálnici. S ohledem na způsob, jak se turbodmychadlo přizpůsobuje různým provozním podmínkám, může být začleněno do tří skupin: turbodmychadlo bez možnosti regulace proudu výfukových plynů, turbodmychadlo s upouštěcím ventilem, který umožňuje odvést nadbytečné výfukové plyny mimo turbínové kolo, aby se zabránilo příliš velkým otáčkám rotoru, a turbodmychadla s proměnnou ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 1

Obrázek 1: Vlevo: schéma funkce turbodmychadla, vpravo: turbodmychadlo s proměnnou geometrií [1] geometrií, kde je proud výfukových plynů na turbínové kolo regulován, aby bylo dosaženo optimálního výkonu. Turbodmychadlo s proměnnou geometrií (např. Variable Nozzle Turbine – VNT™ od firmy Honeywell) používá soustavu natáčivých lopatek s optimalizovaným profilem, které upravují směr a šířku kanálů pro rozvod výfukových plynů na turbínové kolo. Natočení všech lopatek je pak řízeno pomocí jediného ovládacího prstence. Tím pohybuje vnitřní klika, jejíž osa je skrz pouzdro vyvedena ven z turbínové skříně a poháněna pomocí čtyřkloubového mechanismu aktuátorem, ovládaným řídící jednotkou motoru. Protože se jednotlivé součásti mechanismu vůči sobě pohybují, dochází k jejich opotřebení, které vede ke zvětšení vůlí v mechanismu, jehož důsledkem je snížení přesnosti regulace turbodmychadla, zvýšení ovládacích sil nebo dokonce poškození součástí, což jsou všechno nežádoucí jevy. Z tohoto důvodu jsou ve firmě Honeywell vyvíjeny nástroje pro identifikaci míst, kde je očekáváno největší opotřebení, a pro kvantifikaci tohoto opotřebení. Na mechanismu byly pozorovány zejména dva druhy opotřebení – opotřebení při suchém tření a rázové opotřebení. K prvnímu jevu dochází při běžném provozu a je vyvoláno vzájemným pohybem částí v kontaktu. K rázovému opotřebení dochází v důsledku vibrací částí v mechanismu a ztrátám kontaktu, tento jev je však méně častý. Největší vliv na chování celého mechanismu má opotřebení v kontaktní dvojici vnitřní klika – ovládací prstenec (viz obr. 2), protože zvětšení vůlí v tomto páru se projeví na všech lopatkách mechanismu. Analýzám tření na této kontaktní dvojici je věnován tento článek.

Obrázek 2: Vlevo: opotřebení na ovládacím prstenci, vpravo: opotřebení na vnitřní klice ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 2

Výpočet Simulace vzájemného pohybu kliky a kroužku byla provedena jako přechodová analýza pohybu této kontaktní dvojice z polohy, která odpovídá otevřeným lopatkám, do polohy se zavřenými lopatkami a zpět. Síť modelu (obr. 3) byla optimalizována na očekávaný liniový charakter kontaktu. Napřed byla vytvořena rovinná síť se zjemněním na kontaktních plochách až na velikost elementů 0.05 mm. Celá rovinná síť byla poté vytažena do prostoru s výškou elementů 1 mm. Okrajové podmínky (obr. 4) byly stanoveny následně: • Ovládací prstenec uchycen přes MPC kontakt k pilotnímu uzlu, který má povolenu pouze rotaci kolem osy turbodmychadla a v tomto směru byl aplikovám konstantní moment 1 Nm. • Klika byla také uchycena přes MPC kontakt k pilotnímu uzlu ve své ose, opět s povolenou rotací. Úhel natočení kliky byl předepsán v rozsahu natočení vnitřní kliky od –20° do +20°, doba překmitu z jedné krajní polohy do druhé byla 1 s, funkce pohybu byla přechodová funkce 5. řádu, u které nevznikají silové rázy (má první a druhou derivaci na začátku a konci pohybu nulovou). • Vzájemný kontakt kliky a kapsy v ovládacím prstenci byl proveden kontaktními elementy se standardním nastavením se sníženou tuhostí kontaktu (FKN = 0.01) pro zlepšení konvergence. Pro tření byl stanoven kontstantní koeficient 0.4. Řešič byl nastaven pro výpočet přechodového děje: • Řešič modelu SPARSE, s nastavením přechodové úlohy s velkými posuvy • Integrátor HHT s útlumem amplitudy 0.1 • Časový krok 0.01 s, s možností dělení v případě potřeby.

Obrázek 3: Síť v okolí kontaktní dvojice ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 3

Rotace ±20°

1N

Obrázek 4: Okrajové podmínky Vyhodnocení předpokládaného opotřebení bylo provedeno podle Archardovy rovnice [2,3] k Vo = ⋅ p ⋅ s , (1) H kde Vo je objem materiálu odstraněného třením, p je normálový tlak v kontaktu, s je skluzová vzdálenost, H je tvrdost měkčího materiálu kontaktní dvojice, k je konstanta udávající míru odebraného materiálu. Podobný charakter má i třecí práce Af Af = f ⋅ F ⋅ s , (2) kde zlomek k/H je nahrazen součinitelem smykového tření f a tlak p je nahrazen celkovou silou v kontaktu F. Místo s největším opotřebením je to místo, které má největší třecí práci na jednotku plochy, odtud hustota třecí práce: ∂A f af = = f ⋅ p⋅s (3) ∂S Hustotu třecí práce je tedy možné použít pro odhad opotřebení součátí podle Archardovy rovnice. V případě, že se tlak v kontaktu p a skluzová vzdálenost s mění v čase: t2

af = ∫ t1

2 ∂s (t ) ∂s (t ) f ⋅ p(t ) ⋅ dt = ∫ τ f (t ) ⋅ dt ∂t ∂t t1

t

(4)

∂s (t ) je v absolutní hodnotě, protože ∂t opotřebení se v čase akumuluje. Po diskretizaci je potom rovnice pro hustotu třecí práce

τf je třecí tečné smykové napětí. Skluzová rychlost

N

a f , i = ∑ τ f , i , j ⋅ s i , j − s i , j −1

(5)

j =2

kde index i značí elementy a index j časové kroky. Potřebné vstupy do této rovnice lze získat z výstupů kontaktních elementů (viz nápověda pro element CONTA174). ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 4

Výsledky Na analyzované kontaktní dvojici bylo sledováno několik veličin. Tou hlavní byla hustota třecí práce af (viz rov. 5). Její rozložení na kontaktních plochách kliky a kapsy ovládacího prstence (obr. 5) má trochu jiný charakter. Zatímco na klice má menší hodnotu a je rozložena na větší ploše, v kapse ovládacího prstence je koncentrována do místa, kde dochází k největšímu skluzu.

8.8 kJ/m2

3.6 kJ/m2

Obrázek 5: Hustota třecí práce na kontaktních plochách, vlevo klika, uprostřed kapsa ovládacího prstence, vpravo kontaktní dvojice v použitém úhlu pohledu. Dalšími sledovanými veličinani byly maximální kontaktní tlak, který působí na dané místo během celého pohybu pc,max (obr. 6a,b) a celková skluzová vzdálenost sc (obr. 6c,d), které jsou získané z dílčích výsledků výpočtu třecí práce a které pomáhají identifikovat zdroj vysoké třecí práce na daném místě. a)

Max: 13.8 MPa

b)

c)

Max: 1.01 mm

Max: 13.8 MPa

d)

Max: 2.06 mm

Obrázek 6: a) Maximální kontaktní tlak na klice, b) maximální kontaktní tlak na kapse ovládacího prstence, c) celková skluzová vzdálenost na klice, d) celková skluzová vzdálenost na kapse ovládacího prstence ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 5

Jak je patrno z předchozích obrázků, maximální kontaktní tlak je stejný ve všech místech. Rozdíl v třecí práci tedy pochází z rozdílných skluzových vzdáleností na obou částech. Zatímco klika se částečně odvaluje a místo kontaktu se po ní posouvá, v kapse ovládacího prstence je veškerý účinek koncentrován do užšího prostoru, proto je zde třecí práce větší. Srovnání rozložení hustoty třecí práce na obr. 5 s fotografiemi skutečného opotřebení na obr. 2 ukazuje, že výsledky výpočtu odpovídají skutečnosti. Na stěně kapsy ovládacího prstence je hluboká úzká rýha, kdežto na klice je méně patrné opotřebení na větší ploše.

Závěr Pro účely predikce opotřebení kontaktních dvojic v regulačním mechanismu turbodmychadla s proměnnou geometrií byl vytvořen postup výpočtu a stanovení rozložení třecí práce na kontaktních plochách. V místech, kde byla pohybem částí vykonána největší třecí práce je pak předpokládáno největší opotřebení. Tato analýza byla porovnána s opotřebením zaznamenaným na součástech použitých při testech životnosti turbodmychadla. Kvalitativně dosažené výsledky odpovídají realitě, pro správnou kvantifikaci by bylo zapotřebí provést několik iterací této analýzy s úpravou tvaru kontaktních dvojic podle předpovězeného opotřebení. Tento výpočet by se následně ověřil testem, u kterého by se průběžně měřilo dosažené opotřebení částí v kontaktu.

LITERATURA: [1] HORNER, B., Turbocharger Overview. Školící materiály firmy Honeywell. [2] ARCHARD, J. F., 1953: Contact and rubbing of flat surfaces, In: Journal of Applied Physics, vol. 24, p. 981-988 [3] HEGADEKATTE, V., HUBER, N., KRAFT, O., 2006: Modeling and simulation of wear in a pin on disc tribometer. In: Tribology Letters, vol. 24, p. 51-60

ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 6