Analyse des dynamischen Verhaltens von kugelgelagerten Turbolader-Rotoren

Turbolader sind ein wesentlicher Bestandteil des Downsizing-Konzepts moderner Verbrennungsmotoren. Ein wichtiges Entwicklungsziel ist die Erhöhung der maximalen Rotordrehzahl, um entweder den Luftmassenstrom zu erhöhen oder die Baugröße zu verringern. Dies führt neben Problemen der mechanischen Festigkeit zu unzureichenden subsynchronen Schwingungen, die bei Turboladern mit Gleitlagern als Fluid-Whirl und Fluid-Whip bezeichnet werden. Ein weiterer Nachteil der üblicherweise verwendeten Gleitlager ist der relativ hohe Reibungsverlust, der einen wesentlichen Konstruktionsparameter darstellt. Um diese Probleme zu überwinden, sind Kugellagerkonzepte für fortschrittliche Konstruktionen am besten geeignet.
In diesem Zusammenhang ist die Simulation des Rotors unter Einbeziehung der nichtlinearen Effekte von Kugellagern (mit zusätzlichem Quetschfilmdämpfer zur Gewährleistung einer ausreichenden Dämpfung) für eine vorausschauende Analyse der Systemdynamik unerlässlich. Zu diesem Zweck wurde ein dynamisches Modell der Kugellager einschließlich der Kontaktdynamik zwischen den Kugeln, der inneren und äußeren Lagererhöhung und dem Käfig erstellt, das im Detail untersucht wird.
Die Kugellager und die Quetschfilmdämpfer werden mit hoher Modellierungstiefe implementiert, wobei alle relevanten Konstruktionsparameter wie Vorbelastung, Kontur der Kugellager, Dichtungen des Quetschfilmdämpfers etc. berücksichtigt werden. Das Eigenverhalten des Systems wird mit einem nichtlinearen und einem linearisierten Ansatz für die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der Lager untersucht.
Schließlich werden die Ergebnisse in Form von zeitabhängigen Rotorverschiebungen (bei einer gegebenen Drehfrequenz des Turboladers) untersucht und mit Messungen verglichen, um das Simulationsmodell zu validieren.

Analysis of the dynamical behaviour of turbocharger rotors supported in ball bearings

Turbochargers are essential elements in the downsizing concept of recent combustion engines. One major development objective is to raise the maximum rotor speed to either increase the air-mass flow or decrease the design size. This causes, among mechanical strength issues, inadequate subsynchronous vibrations known as fluid-whirl and fluid-whip for turbochargers equipped with journal bearings. Another disadvantage of commonly used journal bearings is the rather high friction loss, which is a significant design parameter. To overcome these problems ball bearings concepts are most suitable for advanced designs.
In that context, the simulation of the rotor including the non-linear effects of ball bearings, (with additional squeeze film damper to assure sufficient damping) is essential for an apriori analysis of the system’s dynamics. For that purpose, a dynamic model of the ball bearings including the contact dynamics between the balls, the inner and outer bearing raise and the cage was established and is investigated in detail.
The ball bearings and the squeeze film dampers are implemented with high modelling depth, taking into account all relevant design parameters like initial load, contour of the ball bearings, seals of the squeeze film damper etc.. The system’s eigenbehaviour is investigated using a non-linear and a linearized approach for the stiffness and damping properties of the bearings.
Finally, the results in term of time dependent rotor displacements (under a given rotational frequency of the turbocharger) are examined and compared with measurements to validate the simulation model.