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Forschung im Ingenieurwesen

, Volume 83, Issue 2, pp 227–237 | Cite as

Effiziente CFD-Simulationen zur Berechnung des Schleppmoments nasslaufender Lamellenkupplungen im Abgleich mit Prüfstandmessungen

  • D. GrötschEmail author
  • R. Niedenthal
  • K. Völkel
  • H. Pflaum
  • K. Stahl
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Zusammenfassung

Nasslaufende Lamellenkupplungen und -bremsen stellen eine wichtige Baugruppe von modernen lastschaltbaren Getrieben, Schlepper-Bremsen sowie Industrie-Antriebssträngen dar. Im geöffneten Zustand treten durch Fluidscherung Schleppverluste auf, die zu den lastunabhängigen Verlusten zählen. Ziel der Entwicklung ist eine Reduktion dieser Verluste. Hierfür ist eine detaillierte Kenntnis der Strömungsverhältnisse in der Kupplung erforderlich, um Entstehung und Einflussfaktoren der Verluste zu identifizieren und in einem weiteren Schritt das Design künftiger Kupplungen verlustärmer zu gestalten.

Es wird in diesem Beitrag eine Auswertemethodik für Schleppmomente am FZG-Schleppmomentenprüfstand LK-4 vorgestellt. Weiterhin wird ein stationäres, isothermes Simulationsmodell eines vollständigen Lüftspalts zur Berechnung von Schleppmomenten vorgestellt. Umgesetzt wird das Modell in der CFD-Software SimericsMP+. Dabei wird zunächst mittels einer einphasigen Strömungssimulation das Ölfördervermögen der offenen Kupplung und das Schleppmoment im linearen Bereich berechnet. Das Schleppmoment von Betriebspunkten im anschließenden nichtlinearen Bereich wird mithilfe eines Kavitationsmodells berechnet. Das vorgestellte 3D-Simulationsmodell zur Vorhersage des Schleppmoments einer nasslaufenden Lamellenkupplung zeigt im Vergleich mit Messungen am Komponentenprüfstand LK-4 vielversprechende Ergebnisse. Der Verlauf des berechneten Schleppmoments wird qualitativ und quantitativ gut wiedergegeben. Die Einflüsse veränderter Betriebsbedingungen, Öleinspritztemperatur, und des Volumenstroms werden sowohl in Messung als auch Simulationsergebnissen dargestellt

Das Simulationsmodell stellt insbesondere aufgrund der geringen Rechenzeiten eine gute Möglichkeit dar, das Schleppmoment einer Kupplung bereits im frühen Entwicklungsstadium abzuschätzen. Weiterhin helfen die kurzen Berechnungszeiten bei der ganzheitlichen Weiterentwicklung des Modells. Die Auswirkungen von Modelländerungen können schnell anhand einer vollständigen Differenzdrehzahl-Schleppmomentenkurve beurteilt werden.

Efficient CFD-Simulations for drag torque calculation of wet disk clutches validated by experimental results

Abstract

Wet-running multi-disk clutches and brakes are an important component of modern powershift transmissions and industrial drive trains. In the open state, drag losses occur due to fluid shear, which are among the load-independent losses. The goal of development is to reduce these losses. This requires a detailed knowledge of the flow conditions in the clutch in order to identify the formation and influencing factors of the losses and, in a further step, to make the design of future clutches loss-reduced.

This article presents an evaluation method for drag torque at the FZG drag torque test rig LK-4. Furthermore, a stationary, isothermal simulation model, which is implemented in the commercial CFD-Software SimericsMP+, is presented. The CFD-Model includes the geometry of a complete clearance for the calculation of drag moments. First, the oil capacity of the open clutch and the drag torque in the linear range are calculated by means of a single-phase flow simulation. The drag torque of operating points in the subsequent non-linear range are calculated using a cavitation model. The presented 3D simulation model for the prediction of the drag torque of a wet-running multi-disk clutch shows promising results in comparison with measurements on the component test rig LK-4. The trend of the calculated drag torque is well reproduced qualitatively and quantitatively. The influences of changes in operating conditions, oil injection temperature and volumetric flow rate are shown both in the measurements and in the simulation results.

Due to the short calculation times, the simulation model is a good way of estimating the drag torque of a clutch at an early stage of development. Furthermore, the calculation times help with the holistic development of the model. The effects of model changes can be assessed after a short time based on a complete differential-speed-drag torque curve.

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  1. 1.Lehrstuhl für Maschinenelemente, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG)Technische Universität MünchenGarchingDeutschland
  2. 2.SIMERICS GmbHRottenburgDeutschland

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