Verbesserung des Wirkungsgrades von Steuerkettentrieben durch bedarfsgerechte Kettenspannung

Für die Steuerung des Ladungswechsels von Verbrennungsmotoren werden Kettentriebe aufgrund ihrer Vorteile, wie wartungsfreier Betrieb aufgrund hoher Belastbarkeit und Lebensdauer, zunehmend eingesetzt. Ein wesentlicher Nachteil von Steuerkettentrieben stellt der hohe Energieverlust dar, deren Reduktion zur erheblichen Minderung des Kraftstoffverbrauches und der Abgasemission führen kann. In dieser Forschungsarbeit werden die Quellen der Energieverluste im Steuerkettentrieb identifiziert und das mit einer gezielten Reduktion der Energieverluste erreichbare Optimierungspotential aufgezeigt. Für den sicheren Betrieb von Steuerkettentrieben wird die Kette durch ein hydraulisches Spannelement vorgespannt. Die aufgebrachte Spannkraft wird dabei vom Öldruck des Motors vorgegeben und richtet sich nicht an den vom Betriebszustand abhängigen Spannkraftbedarf des Kettentriebes. Die Spannkraft darf jedoch nur soweit reduziert werden, dass der sichere Betrieb nicht beeinträchtigt wird. Der Zielkonflikt zwischen Ressourcenschonung und Betriebssicherheit wird durch eine Optimierung aufgelöst, deren Ziel ein auf das Minimum reduzierter Energiebedarf bei gleichzeitig hoher Lebensdauer der Systembauteile ist. Dieser wird durch die bedarfsgerechte Anpassung der Kettenspannkraft ermöglicht. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, darf die Vorspannung der Kette nicht aufgehoben werden. Folglich erfordert die Lösung der beschriebenen Aufgabe die Kenntnis der Zugkraft in der umlaufenden Steuerkette, weshalb eine kombinierte Methode aus Experiment und Simulation zum Einsatz kommt. Die mit einem Komponentenprüfstand durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass der Wirkungsgrad des Steuerkettentriebes zwischen 50 und 67% variiert. Für die Untersuchung der inneren mechanischen Vorgänge im Steuerkettentrieb wird ein Mehrkörper‐Simulationsmodell in Recurdyn aufgebaut. Zur Ermittlung von Parametern wie den Reibkoeffizienten an verschiedenen Kontaktstellen wird eine Sensitivitätsanalyse und ein Modelabgleich durchgeführt. Die Empfindlichkeitsanalyse zeigt, dass die Reibung in den Kette‐Schiene Kontakten den größten Einfluss auf die Verlustleistung im Steuerkettentrieb hat, während der Modellabgleich auf ein gleitlagerähnliches Verhalten der vorherrschenden Tribokontakte hinweist. Für ein Aufrechterhalten der Vorspannung der Kette wird die Stelle der niedrigsten Kettenzugkraft ermittelt, an der die Einhaltung des Kriteriums der Mindestkettenspannung bezogen wird. Die Reduktion der Spannkraft durch die Minderung des Ölversorgungsdrucks am Spannelement führt zu 9% Verbesserung im Wirkungsgrad des Steuerkettentriebes. Die Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle werden anhand Messergebnisse am Fahrzeug in der Simulation abgebildet. Der sichere und energieeffiziente Betrieb des Steuerkettentriebes erfordert eine Einstellung der Spannkraft in Abhängigkeit der Drehzahl, wodurch eine durchschnittliche Wirkungsgradoptimierung von 7,5% möglich ist. Für die bedarfsgerechte Steuerung der Spannkraft müssen die Anforderungen bezüglich Betriebsbedingungen und relevanten Eigenschaften definiert werden. Die Messungen der instationären Betriebszustände am Fahrzeug zeigen, dass die Drehbeschleunigung der Kurbelwelle beim Starten des Motors am größten ist. Empfohlen wird der Einsatz einer Einrichtung, die die Spannkraft während des Startvorgangs sowie im laufenden Motorbetrieb mit definierter Reaktionsgeschwindigkeit und Genauigkeit bedarfsgerecht steuert.