Bachelor's Thesis

Dynamic model of the variable geometry turbocharger control mechanism for design simplification

Final Thesis 2.85 MB

Author of thesis: Bc. Oliver Krúpa

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Reviewer: Ing. František Kocman

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the analysis and design simplification of a variable geometry
turbocharger control mechanism. A multibody dynamic model was created in MSC Adams
to evaluate the kinematic and dynamic properties of the original mechanism. The focus was
placed on the motion transmission between the control ring and the vane arm, the required
actuation torque, contact forces, and an approximate calculation of contact pressure using
Hertzian contact theory. The stiffness of selected components was additionally assessed in
ANSYS. Based on the obtained results, three design modifications of the mechanism were
proposed and compared. The selected solution preserves the required function and
installation dimensions while simplifying the geometry of selected components, reducing the
mass by approximately 19 g and decreasing the maximum contact pressure by approximately
7 %.

Keywords:

turbocharger, variable turbine geometry, guide vanes, control mechanism, multibody
simulation, Adams, ANSYS, Hertzian contact theory, contact pressure, design modification

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: V rámci výpočtů uvažujute čtyřválcový motor, mohl byste uvést jaký? -Zodpovězeno Mohl byste uvést jaké specifické modely AI jste využil? -Zodpovězeno Můžete uvést nějaký sofistikovanější způsob návrhu geometrie, který třeba již hohledňuje ztrátu kontaktu? -Zodpovězeno Dále odpovídal na otázky členů komise: Co bylo přesně cílem, bylo cílem zvýšit moment? Jak je ovládán mechanismus? -Zodpovězeno Co to znamená, když se navýšil moment? -Zodpovězeno Jaký typ elektromotoru se používá v dané aplikaci? -Zodpovězeno Byly známé provozní otáčky turbodmychadla? -Zodpovězeno

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D. (předseda)
Ing. Aleš Prokop, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lubomír Drápal, Ph.D. (člen)
Ing. Michael Böhm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Vacula, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Student ve své bakalářské práci o rozsahu 69 stran řešil problematiku dynamického modelu mechanismu ovládání variabilní geometrie turbodmychadla s cílem navrhnout konstrukční zjednodušení mechanismu. Téma je technicky náročné a má přímou vazbu na průmyslovou praxi, zejména z hlediska funkčnosti, spolehlivosti, výrobních nákladů a kontaktního zatížení jednotlivých částí mechanismu.
Student pracoval samostatně a prokázal schopnost propojit znalosti z oblasti konstrukce, kinematiky, dynamiky mechanismů, kontaktní mechaniky a numerického modelování. Rešeršní část je zaměřena na principy mechanismů variabilní geometrie turbodmychadel, jejich provozní problémy, vibrace a metody řešení dynamiky a kontaktních tlaků. Rozsah rešerše je pro bakalářskou práci dostatečný, i když některé části mohly být zpracovány úsporněji a více cíleně k vlastnímu konstrukčnímu problému.
V praktické části student vytvořil multibody model mechanismu v programu MSC Adams, vyhodnotil kinematické a dynamické chování původního řešení, analyzoval ovládací moment, kontaktní síly a orientačně posoudil kontaktní tlak pomocí Hertzovy teorie. Doplňkově využil také výpočty v programu ANSYS pro posouzení tuhosti, napětí a vlastních frekvencí vybraných částí. Pozitivně hodnotím zejména to, že práce nekončí pouze demonstrací výpočtového nástroje, ale vede ke konkrétním konstrukčním návrhům. Student vytvořil a porovnal tři varianty úprav mechanismu a vybral řešení, které zachovává funkci a zástavbové rozměry, zjednodušuje geometrii a současně vede ke snížení hmotnosti i kontaktního tlaku.
Výsledky je nutné chápat jako orientační, protože model obsahuje zjednodušení a nebyl experimentálně ověřen. Přesto je vlastní technický přínos studenta zřetelný a pro úroveň bakalářské práce nadstandardní. Ve srovnání s předchozími hodnocenými pracemi považuji tuto práci za nejsilnější, zejména díky jasné konstrukční návaznosti, konkrétním návrhovým iteracím a lepšímu propojení simulace s praktickým výsledkem. Cíle práce byly splněny. Práce splňuje požadavky kladené na bakalářskou závěrečnou práci.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. František Kocman

Bakalářskou práci pana Krúpy zahrnující 69 stran lze rozdělit do části rešeršní obsahující 10 stran a části zahrnující vlastní řešení dané problematiky obsahující 40 stran.

Rešeršní část práce je zaměřena na regulaci turbodmychadla s variabilní geometrií rozváděcích lopatek. S ohledem na následný konstrukční návrh se student v této části primárně zaměřil na problematiku tohoto mechanismu, kterou závěrem doplnil o přístupy využívané k řešení dynamiky a problematiky kontaktů tohoto mechanismu.

Praktická část je věnována tvorbě MBS modelu v prostředí Adams a následné evaluaci zjednodušených geometrií ovládacího mechanismu, a to výchozí varianty dodané společností Garrett Motion a tří studentem navržených variant. Ať už v rámci tvorby MBS modelu nebo z evaluace jednotlivých variant je zřejmé, že student dané problematice porozuměl. Vytknout lze občasné nepřesné vyjádření a pravidelnou záměnu FEM za FEA.

Z neznámého důvodu se student rozhodl začít s číslováním již u úvodu a vkládat tabulky jako obrázky. Obrázky jsou převážně vlastní a dobré kvality, lze však vytknout nedostatečný popis u některých z nich, jejich umístění vůči odkazování se v textu, a to, že v práci se student přímo v textu odkazuje pouze na ~32 % z nich. Cíle bakalářské práce byly splněny.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. 2. Mohl byste uvést jaké specifické modely AI jste využil?
  2. 3. Můžete uvést nějaký sofistikovanější způsob návrhu geometrie, který třeba již zohledňuje ztrátu kontaktu?
  3. 1. V rámci výpočtů uvažujete čtyřválcový motor, mohl byste uvést jaký?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová