PREDIKCE OPOTŘEBENÍ NA KONTAKTNÍ DVOJICI V TURBODMYCHADLE S PROMĚNNOU GEOMETRIÍ Auoři: Ing. Radek Jandora, Honeywell spol s r.o. HTS CZ o.z., e-mail: radek.jandora@honeywell.com Anoace: V ovládacím mechanismu rozváděcích lopaek urbodmychadel s proměnnou geomerií dochází k nežádoucímu opořebení. Pro účely idenifikace mís s nejvěším opořebením a vyhodnocení předpokládané míry opořebení je vyvíjen výpoče založený na Archardově rovnici. V omo článku je ukázán na použií na konakní dvojici klika-kapsa ovládacího prsence. Kriická mísa idenifikovaná výpočem se shodují s mísy s nejvěším opořebením na ěcho čásech po esu živonosi urbodmychadla. Annoaion: Pars in he vane conrol mechanism of variable geomery urbochargers suffer wih dry fricion wear. To idenify areas wih highes wear and o evaluae expeced amoun of wear an algorihm based on Archard s equaion is being developed. In his paper i is presened on an analysis of conac of crank and unison ring pocke. Criical areas idenified in he analysis are maching wih areas where highes wear occured during a durabiliy es of he urbocharger. Úvod V posledních leech výrazně klesá spořeba auomobilů. Jednou z nejdůležiějších příčin ohoo zlepšení je užií urbodmychadel v dieselových i benzínových moorech. Nejvěší účinek na snížení spořeby mají urbodmychadla s proměnnou geomerií. Kvůli náročným podmínkám, kerým je vysaven regulační mechanismus akového urbodmychadla, dochází na jeho součásech k opořebení, keré nežádoucím způsobem ovlivňuje chování urbodmychadla a keré je pořeba vyhodnoi. V urbodmychadle se používají odpadní výfukové plyny z mooru o eploě až 750 C k pohonu urbínového kola, keré je připojeno společnou osou ke kompresorovému kolu. Kompresor poom zvyšuje lak vzduchu vsupujícího do mooru a slačený vzduch zvyšuje účinnos spalování. Turbodmychadlo musí bý schopno zvládnou různé provozní podmínky. Jako příklady mohou bý použiy časé zasavování a rozjíždění na křižovakách při provozu ve měsě nebo naopak plynulý chod při jízdě na dálnici. S ohledem na způsob, jak se urbodmychadlo přizpůsobuje různým provozním podmínkám, může bý začleněno do ří skupin: urbodmychadlo bez možnosi regulace proudu výfukových plynů, urbodmychadlo s upoušěcím venilem, kerý umožňuje odvés nadbyečné výfukové plyny mimo urbínové kolo, aby se zabránilo příliš velkým oáčkám rooru, a urbodmychadla s proměnnou 1
Obrázek 1: Vlevo: schéma funkce urbodmychadla, vpravo: urbodmychadlo s proměnnou geomerií [1] geomerií, kde je proud výfukových plynů na urbínové kolo regulován, aby bylo dosaženo opimálního výkonu. Turbodmychadlo s proměnnou geomerií (např. Variable Nozzle Turbine VNT od firmy Honeywell) používá sousavu naáčivých lopaek s opimalizovaným profilem, keré upravují směr a šířku kanálů pro rozvod výfukových plynů na urbínové kolo. Naočení všech lopaek je pak řízeno pomocí jediného ovládacího prsence. Tím pohybuje vniřní klika, jejíž osa je skrz pouzdro vyvedena ven z urbínové skříně a poháněna pomocí čyřkloubového mechanismu akuáorem, ovládaným řídící jednokou mooru. Proože se jednolivé součási mechanismu vůči sobě pohybují, dochází k jejich opořebení, keré vede ke zvěšení vůlí v mechanismu, jehož důsledkem je snížení přesnosi regulace urbodmychadla, zvýšení ovládacích sil nebo dokonce poškození součásí, což jsou všechno nežádoucí jevy. Z ohoo důvodu jsou ve firmě Honeywell vyvíjeny násroje pro idenifikaci mís, kde je očekáváno nejvěší opořebení, a pro kvanifikaci ohoo opořebení. Na mechanismu byly pozorovány zejména dva druhy opořebení opořebení při suchém ření a rázové opořebení. K prvnímu jevu dochází při běžném provozu a je vyvoláno vzájemným pohybem čásí v konaku. K rázovému opořebení dochází v důsledku vibrací čásí v mechanismu a zráám konaku, eno jev je však méně časý. Nejvěší vliv na chování celého mechanismu má opořebení v konakní dvojici vniřní klika ovládací prsenec (viz obr. ), proože zvěšení vůlí v omo páru se projeví na všech lopakách mechanismu. Analýzám ření na éo konakní dvojici je věnován eno článek. Obrázek : Vlevo: opořebení na ovládacím prsenci, vpravo: opořebení na vniřní klice
Výpoče Simulace vzájemného pohybu kliky a kroužku byla provedena jako přechodová analýza pohybu éo konakní dvojice z polohy, kerá odpovídá oevřeným lopakám, do polohy se zavřenými lopakami a zpě. Síť modelu (obr. 3) byla opimalizována na očekávaný liniový charaker konaku. Napřed byla vyvořena rovinná síť se zjemněním na konakních plochách až na velikos elemenů 0.05 mm. Celá rovinná síť byla poé vyažena do prosoru s výškou elemenů 1 mm. Okrajové podmínky (obr. 4) byly sanoveny následně: Ovládací prsenec uchycen přes MPC konak k pilonímu uzlu, kerý má povolenu pouze roaci kolem osy urbodmychadla a v omo směru byl aplikovám konsanní momen 1 Nm. Klika byla aké uchycena přes MPC konak k pilonímu uzlu ve své ose, opě s povolenou roací. Úhel naočení kliky byl předepsán v rozsahu naočení vniřní kliky od 0 do +0, doba překmiu z jedné krajní polohy do druhé byla 1 s, funkce pohybu byla přechodová funkce 5. řádu, u keré nevznikají silové rázy (má první a druhou derivaci na začáku a konci pohybu nulovou). Vzájemný konak kliky a kapsy v ovládacím prsenci byl proveden konakními elemeny se sandardním nasavením se sníženou uhosí konaku (FKN = 0.01) pro zlepšení konvergence. Pro ření byl sanoven konsanní koeficien 0.4. Řešič byl nasaven pro výpoče přechodového děje: Řešič modelu SPARSE, s nasavením přechodové úlohy s velkými posuvy Inegráor HHT s úlumem ampliudy 0.1 Časový krok 0.01 s, s možnosí dělení v případě pořeby. Obrázek 3: Síť v okolí konakní dvojice 3
Roace ±0 1N Obrázek 4: Okrajové podmínky Vyhodnocení předpokládaného opořebení bylo provedeno podle Archardovy rovnice [,3] k V o = p s, (1) H kde V o je objem maeriálu odsraněného řením, p je normálový lak v konaku, s je skluzová vzdálenos, H je vrdos měkčího maeriálu konakní dvojice, k je konsana udávající míru odebraného maeriálu. Podobný charaker má i řecí práce A f = f F s, () A f kde zlomek k/h je nahrazen součinielem smykového ření f a lak p je nahrazen celkovou silou v konaku F. Míso s nejvěším opořebením je o míso, keré má nejvěší řecí práci na jednoku plochy, odud husoa řecí práce: A f a f = = f p s (3) S Husou řecí práce je edy možné použí pro odhad opořebení součáí podle Archardovy rovnice. V případě, že se lak v konaku p a skluzová vzdálenos s mění v čase: ( ) τ f je řecí ečné smykové napěí. Skluzová rychlos ( ) s s a f = f p( ) d = τ f ( ) d (4) 1 1 ( ) s je v absoluní hodnoě, proože opořebení se v čase akumuluje. Po diskreizaci je poom rovnice pro husou řecí práce a N f, i = τ f, i, j si, j si, j 1 (5) j= kde index i značí elemeny a index j časové kroky. Pořebné vsupy do éo rovnice lze získa z výsupů konakních elemenů (viz nápověda pro elemen CONTA174). 4
Výsledky Na analyzované konakní dvojici bylo sledováno několik veličin. Tou hlavní byla husoa řecí práce a f (viz rov. 5). Její rozložení na konakních plochách kliky a kapsy ovládacího prsence (obr. 5) má rochu jiný charaker. Zaímco na klice má menší hodnou a je rozložena na věší ploše, v kapse ovládacího prsence je koncenrována do mísa, kde dochází k nejvěšímu skluzu. 3.6 kj/m 8.8 kj/m Obrázek 5: Husoa řecí práce na konakních plochách, vlevo klika, uprosřed kapsa ovládacího prsence, vpravo konakní dvojice v použiém úhlu pohledu. Dalšími sledovanými veličinani byly maximální konakní lak, kerý působí na dané míso během celého pohybu p c,max (obr. 6a,b) a celková skluzová vzdálenos s c (obr. 6c,d), keré jsou získané z dílčích výsledků výpoču řecí práce a keré pomáhají idenifikova zdroj vysoké řecí práce na daném mísě. a) b) c) d) Max: 13.8 MPa Max: 13.8 MPa Max: 1.01 mm Max:.06 mm Obrázek 6: a) Maximální konakní lak na klice, b) maximální konakní lak na kapse ovládacího prsence, c) celková skluzová vzdálenos na klice, d) celková skluzová vzdálenos na kapse ovládacího prsence 5
Jak je parno z předchozích obrázků, maximální konakní lak je sejný ve všech mísech. Rozdíl v řecí práci edy pochází z rozdílných skluzových vzdálenosí na obou čásech. Zaímco klika se čásečně odvaluje a míso konaku se po ní posouvá, v kapse ovládacího prsence je veškerý účinek koncenrován do užšího prosoru, proo je zde řecí práce věší. Srovnání rozložení husoy řecí práce na obr. 5 s foografiemi skuečného opořebení na obr. ukazuje, že výsledky výpoču odpovídají skuečnosi. Na sěně kapsy ovládacího prsence je hluboká úzká rýha, kdežo na klice je méně parné opořebení na věší ploše. Závěr Pro účely predikce opořebení konakních dvojic v regulačním mechanismu urbodmychadla s proměnnou geomerií byl vyvořen posup výpoču a sanovení rozložení řecí práce na konakních plochách. V mísech, kde byla pohybem čásí vykonána nejvěší řecí práce je pak předpokládáno nejvěší opořebení. Tao analýza byla porovnána s opořebením zaznamenaným na součásech použiých při esech živonosi urbodmychadla. Kvaliaivně dosažené výsledky odpovídají realiě, pro správnou kvanifikaci by bylo zapořebí provés několik ierací éo analýzy s úpravou varu konakních dvojic podle předpovězeného opořebení. Teno výpoče by se následně ověřil esem, u kerého by se průběžně měřilo dosažené opořebení čásí v konaku. LITERATURA: [1] HORNER, B., Turbocharger Overview. Školící maeriály firmy Honeywell. [] ARCHARD, J. F., 1953: Conac and rubbing of fla surfaces, In: Journal of Applied Physics, vol. 4, p. 981-988 [3] HEGADEKATTE, V., HUBER, N., KRAFT, O., 006: Modeling and simulaion of wear in a pin on disc ribomeer. In: Tribology Leers, vol. 4, p. 51-60 6