Untersuchung des Steifigkeitsverhaltens von Metall-Weichstoff-Zylinderkopfdichtungen von Industriemotoren

Diplomarbeit von Eckehard Zündorf

Einleitung:

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die empirische und simulative Untersuchung des Steifigkeitsverhaltens einer Metall-Weichstoff Zylinderkopfdichtung.

In verschiedenen praktischen Versuchen werden Festigkeitskennwerte ermittelt, die die Grundlage für eine numerische Simulation mit der finiten Elemente Methode (FEM) bilden. So wird z.B. untersucht, welchen Einfluß die Betriebstemperatur oder die Alterung auf das Verhalten der Dichtung ausübt.

Um die gewonnenen Daten in ein „rechnertaugliches“ Format zu überführen, werden die nichtlinear-elastoplastischen Spannungs-Dehnungsfunktionen in multilinear-elastische Funktionen abstrahiert. Das wird dadurch legitimiert, daß die aus Metall, Polymeren und Fasern bestehende Dichtung so aufgebaut ist, daß sie ab einem bestimmten Deformationsgrad wie eine Feder arbeitet.

In gleicher Weise wird mit der Geometrie des Zylinderkopfes, der ZKD und dem Kurbelgehäuse verfahren: Hier wird ”Krummes durch Gerades“ ersetzt, also Kontinuierliches durch Diskretes. Durch dieses Verfahren wird zwar niemals eine exakte Lösung erreicht, der Diskretisierungsfehler kann aber beliebig gering gehalten werden, indem der Grad der Vernetzung verfeinert wird. Eine Verfeinerung wird allerdings mit dem Preis langer Rechenzeiten bezahlt. Um dennoch der Forderung nach einem möglichst genauen Ergebnis gerecht zu werden, wird die Rechnung mit zwei unterschiedlich detailierten Modellen durchgeführt. Zunächst wird ein einzelner Zylinder betrachtet, der eine redundante Einheit des Gesamtsystems verkörpert. Hier wird der Grad der Vernetzung sehr hoch gewählt, um das Pressungsverhalten im Detail zu betrachten. Die Simulation am Gesamtsystem wird hingegen nicht so fein vernetzt, weil dieses Rechenergebnis nur eine Aussage über Spannungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den einzelnen Zylindern liefern soll.

Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Simulation werden durch einen geeigneten Versuch am Motor mit dem tatsächlichen Verformungsverhalten der Zylinderkopfdichtung verglichen.

Die vorliegende Arbeit zeigt, daß eine realistische Simulation des Steifigkeitsverhaltens einer Zylinderkopfdichtung mittels FEM möglich ist.

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