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Getriebesimulation Getriebesimulation mittels CFD – Möglichkeiten und Potentiale

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Christine Rockel, Dipl.-Ing. Ludwig Berger, Dr.-Ing. Christine Klier, M. Sc. Vignesh Manian CFD Schuck Ingenieurgesellschaft mbH / Ute Drescher

Die Effizienz der Getriebeschmierung im Prüfstand vollständig zu validieren ist schwierig. Dem Entwickler steht heute jedoch ein wirksames Instrument zur Verfügung: die CFD-Berechnung.

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Ölfilmdicke nach Einspritzschmierung
Ölfilmdicke nach Einspritzschmierung
(Bild: CFD Schuck)

Die Getriebeschmierung ist eine der wesentlichen Aufgaben in einem breiten Spektrum von Branchen, bei denen Kraftübertragung eine Rolle spielt. Die Verlustleistung, die bei einer mangelhaften Getriebeschmierung auftritt sowie der Verschleiß der Zahnflanken sind weitreichend, die Folgekosten sind entsprechend hoch. Versuche an Getriebeprototypen im Prüfstand liefern den Herstellern oftmals nicht die notwendigen Detailinformationen. Die Effizienz der Getriebeschmierung im Prüfstand vollständig zu validieren ist schwierig, insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten und den entsprechenden Lasten. Dennoch steht dem Entwickler heute jedoch ein wirksames Instrument zur Verfügung, um den Ölfluss um die rotierenden Komponenten und die Benetzung der Zahnflanken mit Öl in einem Getriebe zu optimieren: CFD-Berechnungen.

Anhand der Simulationsergebnisse lassen sich viele Fragestellungen beantworten:

  • Bewertung von Schmierung und Schleppverlusten für verschiedene Ölstände oder Drehzahlen.
  • Detaillierte zeitabhängige Berechnung der Ölfilmdicken auf den Zahnflanken – so kann die Benetzung der Zahnflanken gezielt untersucht und verbessert werden.
  • Bewertung der Verschleißneigung zusammen mit einem Monitoring der hydraulischen Druck- und Scherkräfte auf den Zähnen und den Zahnflanken – so wird es möglich die Reibung gezielt zu vermindern.
  • Erkennung einer gegebenenfalls auftretenden Strömung aus dem Ölsumpf und ihres Einflusses auf die Einspritzschmierung und Erkennung des Einflusses der Gehäusegeometrie auf die Strömung.
  • Berechnung des Wärmehaushalts an den Zahnrädern zur Untersuchung der Abfuhr von Reibungswärme – so ist es möglich, die Wärmeabgabe ins Getriebe, die Wärmeleitung über das Gehäuse und Zahnflanken und den Einfluss der Ölviskosität zu beschreiben.

Für die Berechnung der Strömung um die rotierenden Komponenten kommt die sog. Overset-Mesh-Methode zum Einsatz. Hierbei wird auf mehreren überlappenden Gittern modelliert, wobei die Zellen im Überlappungsbereich im Zuge der Bewegung aktiviert bzw. deaktiviert werden und die berechneten Werte von Gitter zu Gitter im Grenzbereich der Überlappung ausgetauscht werden.

Die Ölverteilung wird mit einem Volume-of-Fluid-Ansatz (VOF) modelliert. Hierbei wird die Kontinuitätsgleichung für die Volumenanteile für jede Phase separat gelöst, während Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturfeld für die verschiedenen Phasen identisch sind. Dieser Ansatz ermöglicht kürzere Rechenzeiten im Vergleich zur voll aufgelösten Eulerschen Mehrphasenlösung. Die für Getriebe mit hohen Drehgeschwindigkeiten wichtigen Turbulenzerscheinungen und Lufteinschlüsse sowie Spritzen des Öls können mit dieser Methode gut dargestellt werden.

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Kommt zum Ölsumpf eine Einspritzschmierung hinzu, so wird diese zusätzlich mit Euler-Lagrange-Modellen abgebildet. Treffen Öltropfen auf die kontinuierlich modellierte Ölphase können sie dieser zugeschlagen werden, d.h. ihre Masse und ihr Impuls werden übertragen. Möglich macht dies ein Lagrange-VOF-Interaktions-Modell. Das Auftreffen von Öltropfen auf die Zahnräder oder das Gehäuse kann mit verschiedenen Wandinteraktionsmodellen und Oberflächenfilmmodellen abgebildet werden.

Die Komplexität der Modelle erfordert erfahrene CFD-Ingenieure und geeignete CFD-Programme. Die in vielen Konstruktionsabteilungen oftmals gängigen CAD-integrierten Ansätze zur schnellen CFD-Simulation sind hier nicht mehr geeignet, da die erforderlichen komplexen physikalischen Modelle nicht verfügbar sind.

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