Kopplungsmechanismen kombinierter Radial-Axialgleitlager

Großberndt, Daniel

doi:10.21268/20240220-0

published

Kopplungsmechanismen kombinierter Radial-Axialgleitlager

German
English

Zu Beginn dieser Arbeit existierte kein experimentell validiertes Berechnungsverfahren für kombinierte Radial-Axialgleitlager. Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung und Validierung von Berechnungsverfahren mit denen die in solchen Lagern wirkenden Kopplungsmechanismen abgebildet werden können. Dafür wurden zwei Kopplungsansätze verfolgt. Der erste Ansatz wird durch die Entwicklung eines iteratives Berechnungsverfahren umgesetzt. Hierbei werden der Radial- und der Axialteil getrennt voneinander berechnet und über gemeinsame Randbedingungen gekoppelt. Diese Kopplungsrandbedingungen werden iterativ so bestimmt, dass die Massen- und Energieerhaltung an den Modellschnittstellen erfüllt werden. Weiterhin wird ein monolithisches Berechnungsverfahren als zweiter Ansatz entwickelt. In diesem Fall werden die zu lösenden Gleichungssysteme der Lagerteile unter Berücksichtigung der notwendigen Kopplungs-gleichungen zu gemeinsamen Gleichungssystemen des Gesamtlagers fusioniert. Die im Rahmen des iterativen Berechnungsverfahren iterativ zu bestimmenden Randbedingungen sind im monolithischen Fall dann direkter Teil der Lösung dieser Systeme. Gute Übereinstimmungen zeigt der Abgleich der Berechnungsergebnisse beider Berechnungs-verfahren mit experimentellen Ergebnisse aus der Literatur, sodass so die Funktionsfähigkeit der entwickelten Berechnungsverfahren nachgewiesen werden kann. Durch die monolithisch gekoppelte Energiegleichung können lokale Temperaturverteilung an den Schnittstellen der Lager aufgelöst und damit die lokale Wechselwirkung der Temperaturverteilungen in den Lagerteilen abgebildet werden. Weiterhin zeigt der monolithische gegenüber dem iterativen Berechnungsansatz deutliche Vorteile bei der numerischen Stabilität und den Rechenzeiten. Der Mehrwert der entwickelten Berechnungsverfahren gegenüber den in der industriellen Praxis gängigen Berechnungsansätzen kann anhand verschiedener Vergleichsrechnungen dargestellt werden. Die korrekte hydraulische und energetische Kopplung sowohl der Schmierfilme als auch der Festkörper ist entscheidend, um den Schmierstoffdurchsatz und das Temperaturniveau beider Lagerteile korrekt abzubilden. Sensitivitätsanalysen der Kopplungsmechanismen bezüglich verschiedener Geometrievariationen der beiden Lagerteile zeigen, dass sich die Intensität der Kopplungseffekte durch eine gezielte Änderung der lokalen Abflusswiderstände im Radial- und Axialteil beeinflussen und sich so beispielsweise das Temperaturniveau im belasteten Axialteil deutlich senken lässt, ohne den Gesamtdurchsatz des kombinierten Radial-Axialgleitlagers signifikant zu steigern.

At the beginning of this work, there was no experimentally validated calculation method for combined journal‐thrust bearings. The aim of this work is therefore the development and validation of calculation methods with which the coupling mechanisms acting in such bearings can be represented. Two coupling approaches were pursued for this purpose. The first approach is implemented by developing an iterative calculation method. In this case, the journal and thrust parts are calculated separately and coupled via shared boundary conditions. These coupling boundary conditions are determined iteratively in such a way that the mass and energy conservation at the model interfaces are fulfilled. Furthermore, a monolithic calculation method is developed as a second approach. In this case, the systems of equations to be solved for the bearing parts are fused into common systems of equations for the overall bearing, taking into account the necessary coupling equations. The boundary conditions to be determined iteratively within the iterative calculation method are in the monolithic case then a direct part of the solution to these systems. Good agreement is shown by the comparison of the calculation results of both calculation methods with experimental results from the literature so that the functionality of the developed calculation methods can be proven. Through the monolithically coupled energy equation, local temperature distributions at the interfaces of the bearings can be resolved and thus the local interaction of the temperature distributions in the bearing parts can be represented. Furthermore, the monolithic approach shows clear advantages compared to the iterative calculation approach in terms of numerical stability and computation times. The added value of the developed calculation methods compared to the calculation approaches commonly used in industrial practice can be demonstrated using various comparison calculations. The correct hydraulic and energetic coupling of both the lubricating films and the solid bodies is crucial for accurately representing the lubricant flow rate and temperature level of both bearing parts. Sensitivity analyses of the coupling mechanisms with respect to various geometry variations of the two bearing parts show that the intensity of the coupling effects can be influenced by a specific change in the local flow resistances in the journal and thrust parts, and thus, for example, the temperature level in the loaded thrust part can be significantly reduced without significantly increasing the overall flow rate of the combined journal‐thrust bearing.