Blog - Getriebebeölung 3.0: Temperatur

Seit über 10 Jahren beschäftigen wir uns nun mit der Simulation der Ölverteilung in Getrieben.
In unserem Simulations-baukasten M&P ÖlSim® fehlte bisher ein wesentlicher Bestandteil, der auf der Wunschliste unserer Kunden ganz oben steht: Die Berücksichtigung der Temperatur.

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

15.05.2020

Im Getriebe entsteht Reibungswärme und das Öl hat neben der Schmierung auch die Aufgabe, diese Wärme abzuführen. Die Wärme beeinflusst zudem wesentlich die Zähigkeit des Öls und damit auch das Strömungsverhalten.

Video 1 Einfaches Getriebe mit Aufheizung des Öls

Dies musste ich schmerzlich während meines Praktikums bei Dornier in Oberpfaffenhofen 1983 lernen. Mein alter Mercedes 200 D hatte unfreiwillig den Geist aufgegeben bzw. wurde vom TÜV zwangsstillgelegt. Genauer gesagt, die Karosserie war so marode, dass selbst die mit Beton ausgegossenen Fußräume das Fahrzeug nicht mehr zusammenhielten, zumal der TÜV von dieser Art meiner Reparatur gar nicht begeistert war.

Ein Geschäftskollege bei Dornier kannte einen Bekannten, der einen Mercedes 220 D verkaufte, angeblich in sehr gutem Zustand. Als ich das Fahrzeug im Winter begutachtete, habe ich mich noch gewundert, warum der Motor schon lief, habe mir aber nichts weiter dabei gedacht. Ich habe also den Kaufvertrag unterschrieben und bin mit dem Fahrzeug heimgefahren. Am nächsten Wintermorgen wunderte ich mich, dass der Motor trotz der neuen Batterie bei allen Kunstgriffen nicht ansprang. Leider musste ich feststellen, dass der Verkäufer sehr zähflüssiges Öl eingefüllt hatte, um darüber hinwegzutäuschen, dass die Kompression am Ende war. Mit dem zähen Öl war zwar die Kompression besser, der Anlasser war aber nie und nimmer in der Lage, den kalten Motor zu starten.

Die bezahlten 4.000 DM habe ich als Student dann abschreiben müssen, gekauft wie besehen, schließlich hätte mir das ja als angehendem Ingenieur auffallen müssen…

Und heute? Auch heute ist Öl bei -20°C verdammt zäh.

Aus allen Diskussionen, die wir mit BMW, Audi, VW, Porsche, Daimler und auch bei ZF geführt haben, steht die Temperaturberechnung daher sehr weit oben auf der Wunschliste.

Im Wesentlichen geht es also darum, die Temperaturverteilung in den Bauteilen und die Kühlung des Getriebes zu optimieren. Es sollen anhand der Verlustleistungen im Zahneingriff (die man ja kennt) und der Kühlung auf der Außenseite (die man ebenfalls bestimmen kann) die resultierenden Temperaturverteilungen ermittelt werden. Und die Abhängigkeit der Zähigkeit des Öls? Ehrensache, muss berücksichtigt werden.

Das Problem waren bislang die benötigten enormen Rechenzeiten und der Speicherplatz, obwohl wir da nicht schlecht aufgestellt sind. Aber wer wartet schon gerne ein paar Monate.

Christian, der sich gerne als alten Fuchs bezeichnet, hat nun in seiner Schublade gekramt und ein uraltes Konzept aus Audi Zeiten wiederbelebt.

Die Idee ist simpel und hat damals mit AURA bei der Berechnung der Temperatur in der Fahrzeugkarosserie schon gut funktioniert:
Geht man einfach einmal davon aus, dass sich das Zahnrad schneller dreht, als sich die Wärme ausbreitet.
Gehen wir weiter davon aus, dass sich das Strömungsfeld schneller einstellt als eine quasi-stationäre Temperaturverteilung.
Genügt es dann nicht, die Strömung bei ausgewählten Zeitpunkten zu berechnen und dazwischen konstant zu halten?

Ingenieurtechnisch gesprochen, bewegen wir uns dabei auch auf unterschiedlichen Zeitskalen. Die reine Strömung im Getriebe bewegt sich im Millisekunden- bis Sekundenbereich, die Temperatur ist hingegen träge und bewegt sich im Minuten- bis sogar Stundenbereich.

Wenn man nun eine Co-Simulation mit unterschiedlichen Zeitskalen durchführt, spart das gewaltig Rechenzeit. Und Speicher. Und Nerven. Sagt Oli.

Kai hat vor kurzem einen großen Autoklaven instationär mit Hilfe einer Co-Simulation in Star CCM+ mit Top-Ergebnissen berechnet. Warum sollte das Ganze also nicht auch für ein Getriebe funktionieren? Zumindest für „kleinere“ Getriebe. Bei einem 8 Gang-Doppelkupplungsgetriebe haben wir zwar noch so unsere Zweifel, dafür stehe ich aber mit der Peitsche im Hintergrund.

Video 2 Beölungssimulation 8 Gang-Doppelkupplungsgetriebe, Gibt es hier noch Grenzen bei der Temperaturberechnung?

Eine Zwischenlösung zeigen wir im Video 1, die wir mit PreonLab umgesetzt haben. Da es wie immer unmöglich ist, Kundenprojekte zu zeigen, die nicht schon 10 Jahre auf dem Buckel haben, hat Oli ein Tutorial-Beispiel mit freundlicher Genehmigung von Fifty2 „vergewaltigt“.

Das Getriebe und das Öl hat eine angenommene Umgebungstemperatur von -20 °C. Dabei ist das Öl sehr zäh und erwärmt sich im Laufe der Simulation. Dadurch wird das Öl immer flüssiger. Die Temperatur erkennt man an der Farbe.

In diesem Beispiel liegt an den Zahnrädern vereinfacht eine konstante, hohe Temperatur an.

Das Verfahren mit anderer Software (Star CCM+) zeigt die Abbildung 3.
Ganz ohne Verwendung der Peitsche. ????