Diskussion och slutsatser

Kapitlet inleds med att besvara och hantera de frågeställningar och den hypotes som presenteras i början av arbetet. Sedermera följer en

metoddiskussion där metoderna samt reliabilitet och validitet granskas.

Därefter följer en diskussion kring ursprungsdesign och de koncept som tas fram, men även kring de delar och egenskaper som är avgörande i

konstruktionen. Vidare avlutas kapitlet med de slutsatser som kan dras från den utförda studien.

6.1 Frågeställningar och hypotes

6.1.1 Frågeställningar

• Specifikt vikt och hållfasthet har inga direkta samband. Ventillyftarens hållfasthet utgörs inte av enbart tvärsnittsarea och materialval. I denna konstruktion har spänningskoncentrationernas storlek, utformning och placering störst påverkan på konstruktionens styrka. Dock har

tvärsnittsarea och material en direkt relation till vikt, vilket gör att det indirekt finns ett samband mellan parametrarna.

• Baserat på originalkonstruktionen kan vikten reduceras samtidigt som kraven på hållfasthet uppnås. Viktoptimering kan tillämpas genom att tvärsnittsarean näst in till kvarstår samt genom placering av

spänningskoncentrationer för att disponeras flödet av spänningarna över ett större område i konstruktionen. Det finns även möjlighet till att reducera vikten och behålla, eller till och med öka hållfastheten genom att byta material till ett med högre sträck- och brottgräns samt färre defekter.

• Ökad hållfasthet kan implementeras på lyftarna genom att antingen avlägsna eller ändra spänningskoncentrationer och öka tvärsnittsarean, alternativt byta till ett starkare material. Spänningskoncentrationerna kan ändras genom att applicera en varierande radie i stället för en konstant vid hålen.

6.1.2 Hypotes

Hypotesen om att ventillyftarens vikt kan reduceras utan att påverka hållfastheten kunde bekräftas i studien. Detta var möjligt genom att studera teorier och beräkningar kring hållfasthet samt påverkande parametrar men även genom att analysera simuleringar av ventillyftare. Hypotesen kunde således bekräftas genom både uträkningar och genom utförda tester.

6.2 Metoddiskussion

Arbetets reliabilitet anses tillfredsställande då den data som erhållits från intervjuer, företag, teorier samt uträkningar jämförs med utförda tester.

Genomförda uträkningar är tillämpade med generellt vedertagna ekvationer vilket innebär att teoretiskt bör validiteten i koncepten vara hög.

Teorierna kring minskat tröghetsmoment genom applicering av

viktreducerande ventillyftare bidrar till ökad verkningsgrad. Fördelen med en ökad effektivitet är att förbränningsmotorn kommer arbeta på ett mer

resurseffektivt sätt. Ökad verkningsgrad bidrar i sin tur till en bättre bränsleeffektivitet och reducerade utsläpp. För att bekräfta teorin bör reliabiliteten valideras genom verkliga tester.

Validering av reliabiliteten hade gynnats ytterligare genom fler utförda tester på nytillverkade prototyper av koncepten. Främst finns intresse av

utmattningstester i dragprovmaskin, men även tester i fysisk motor. Tiden för studien var ej tillräcklig för att producera och testa prototyper då

utmattningstester är mycket tidskrävande. Resultatet från uträkningarna kunde därför ej valideras med prototyper för de olika koncepten.

6.3 Ursprungskonstruktion

Sammanfattningsvis är originalkonstruktionen en robust design som på ett tillfredställande sätt uppfyller de krav som ställs på en ventillyftare i denna typ av förbränningsmotor. Bottendelen har en vit struktur från observation av fragmenten samt erhåller en hårdhet på 65 HRC från hårdhetsmätningen.

Resultaten tyder på vitjärn vilket kan stärkas från intervjuer samt teorikapitlet. Kronan och cylinderdelen innefattas dock av en mörkare struktur vilket tyder på att ingen härdning är applicerad på den övre delen av ventillyftaren. Fragmentet indikerar därför på att kronan och

cylinderväggarna består av gråjärn med viss övergång mot vit struktur i botten. Geometrin är väl anpassad för gjutning då hålen användes för att kassera gjutformen vilket utgör innanmätets struktur. Efter observation av hålens radier kan slutsatsen fastställas att de är mycket grovt bearbetade.

Defekter vid detta område kan ses som indikatorer för var sprickbildning kommer ske vid eventuella överbelastningar. Enligt beräkningar av spänning, utmattning och hårdhet uppfyller ursprungskonstruktionen samtliga krav.

Intervjuer menar att originalkonstruktionen ej innefattades av några brister i hållfastheten, dock anses ventillyftarens vikt vara hög. Enligt beräkningar finns möjligheter till viktreducering utan inverkan på konstruktionens hållfasthet.

6.4 Kompression

Kompressionsberäkningar är i detta fallet något vagt då ventillyftaren i första hand kommer utsättas för utmattning. Vi ansåg ändå att det var nödvändigt att utföra beräkningar och tester för maximal statisk belastning ventillyftaren kan utsättas för innan haveri uppstår. Genom att ej reducera tvärsnittsarean och placera spänningskoncentrationerna på noga utvalda ställen kunde konstruktionen som väntat med god marginal motstå belastningarna. Det är möjligt att ett kompressionstest kan anses överflödigt. På grund av studiens tidsbegränsning fanns inte tid att genomföra utmattningstest på mer än en lyftare. Kompressionstest ansågs därför vara det bästa sättet att jämföra originalkonstruktionen med de nya koncepten. För att bekräfta vår tes om att hållfastheten går att behålla genom att placera de nya hålen i koncepten ändrades ej tvärsnittsarean eller flödet av spänningarna. Kompressionstestet kunde då styrka resultaten från simuleringen.

6.5 Utmattning

Volvo B20 motorn som undersökningen utgått ifrån har ett varvtalsregister som sträcker sig upp till 7000 varv/minut. Då förbränningsmotorns varvtal är i konstant förändring under drift försvåras uppskattningar och

beräkningar. Laster och amplitudspänningar går därför ej att säkerställa mot antalet cykler. Beräkningarna är därför anpassade för maximalt varvtal vilket är 7000 varv/minut på vevaxeln och 3500 varv/minut på kamaxeln. Det är enligt dessa varvtal som säkerhetsfaktorn för utmattning i konstruktionen är beräknad. En förbränningsmotor arbetar såklart inte på maximalt varvtal hela tiden vilket innebär att den egentliga säkerhetsfaktorn förmodligen är betydligt högre. Med mer tid hade olika varvtal kunnat studeras ytterligare, vilket hade gett en mer exakta beräkningar. Eftersom endast maximalt varvtal tillämpas bör slutsatsen leda till att konstruktionen inte kommer att gå sönder tidigare än beräknat på grund av utmattningen. I brist av tid, materialdata och noggrannare belastningsfall ansågs beräkningar av

konsumerad livslängd, med hjälp av Palmgren-Miner sats, ej vara möjlig att utföra.

6.6 Kontakttryck och nötning

Vid kontakt mellan två sfäriska eller cylindriska kroppar uppstår endast en minimal kontaktyta. Detta innebär att spänningen på denna yta kommer bli extremt hög. Eftersom den sfäriska ytan är avgörande för rotationen på lyftaren för att inte slita på samma yta konstant måste den behållas. Detta är något som flera tillverkare av eftermarknadslyftare valt att ignorera vilket medför att rotationen försämras. Ökat slitage i ventilsystemet kommer därför att uppstå. Genom att behålla den sfäriska ytan på lyftaren måste hårdheten på 65HRC behållas för att ventilsystemet ska fungera som tänkt och förlänga livstiden.

Enligt teorin är det den mjukare av två kroppar i kontakt som nöts ner snabbast. Där av ansågs det inte nödvändigt att i denna undersökningen studera nötningen för systemet närmre. Ytterligare anledning var att smörjningen var okänd vilket förhindrar undersökandet av mängden hur mycket material som slits bort. Ytterligare tester hade också behövt utföras med en roterande kamaxel för att se effekten av nötningen.

Vidare studier kan istället fokusera på olika former av nötning och sprickbildning mellan ventillyftaren och kamaxeln, sambanden mellan hårdhet och val av smörjmedel för minimalt slitage. För att göra detta behöver verkliga experiment utföras där resultaten noga analyseras.

6.7 Koncept

Koncept 1–5 baseras på originalkonstruktionen i utformning och material.

Anledningen till detta är att den inte innefattats av några utmärkande svagheter. Dock anses vikten för hög och genom undersökningen har det visat sig att den bär på onödig vikt. Eftersom tvärsnittsarean är en avgörande faktor för hållfastheten, har framtagning av koncepten utgått från att

reducera massa via alternativa metoder. Efter närmre observation och beräkningar kunde mycket material avlägsnas utan ingrepp på

tvärsnittsarean. Genom att placera nya hål på noga utvalda positioner kunde en jämn tvärsnittsarea erhållas ut med hela cylindern. Den reducerade vikten uppgick där efter till 8%. Genom att reducera den minsta tvärsnittsarean kunde vikten minskas ytterligare, dock med ett visst ingrepp på

säkerhetsfaktorn. Efter diskussioner med personer som arbetat med ventillyftaren, gavs rekommendationen att inte ändra konstruktionen för mycket. Istället skulle viktoptimering ske genom att avlägsna överflödigt material. Enligt teorier skulle ej hållfastheten påverkas. Efter utförda simuleringar visade det sig att spänningarna rör sig längsmed lyftaren via spänningskoncentrationerna. Detta innebär att spänningarna kommer flöda genom en mindre yta om det placeras hål på fler sidor av lyftaren. Senare kunde detta också bekräftas med kompressionstester. Testerna visade att konceptet innehållande nya hål med mindre radie än det ursprungliga hålet, vertikalt placerade, kunde motstå högre belastning än

originalkonstruktionen. Detta är troligtvis eftersom det mindre hålet tar upp all kraft och gör att spänningen i konstruktionen passerar det större hålet parallellt utan att utsätta detta för någon belastning. Eftersom det mindre hålet har lägre spänningskoncentration än det stora kommer konstruktionen därför klara av en större belastning.

Då koncepten med hål på alla sidor klarade av lägre belastningar än originalkonstruktionen, kunde de motstå betydligt högre belastningar än originallyftaren. Genom val av rätt material för lyftaren, kan dessa koncept tillverkas med en hög säkerhetsfaktor.

Resultatet från testerna av de bearbetade ventillyftarna, påvisade att brottgränsen inte blev lägre på de koncept där tvärsnittsarean inte

reducerades och där de nya hålen placerades i linje med de ursprungliga.

Däremot minskade brottgränsen för de lyftare där tvärsnittsarean reducerats och där nya hål placerats på en annan sida av konstruktionen än de

ursprungliga. Teorierna kring att minskad tvärsnittsarea leder till lägre brottgräns kan bevisas om flödet för spänningarna inte påverkas.

Förutom att applicera de extra hålen på sidorna av lyftaren, bearbetades också kronan. Anledningen till att den var utformad på det sättet som den var, berodde på att den skulle kunna monteras med ett specialverktyg vid eventuell ombyggnation. Efter att ha diskuterat med uppdragsgivaren ansåg vi att det fanns andra sätt att montera ventillyftarna vid behov och att vi kunde spara mycket vikt genom att utforma kronan på ett annat sätt. En ytterligare parameter vi valt att ändra från originalet är hårdheten på sidan av lyftarna. Eftersom att den inte utsätts för något större kontakttryck från cylinderloppet är kravet på hårdhet ej densamma enligt originalritningen.

Detta innebär att de inte behöver härdas där vilket gör att den blir mer elastisk och mindre spröd, vilket i sin tur gör dem mindre benägna för sprickbildning.

Om ytterligare koncept med verktygsstål ska tillämpas, skulle

konstruktionen kunna bestå av en cylinder med en botten och en svetsbar lös krona. Fördelen med en eftermonterad krona är att bearbetning av

ventillyftarens insida möjliggörs. Hålen från originalkonceptet kan där med elimineras då ingen sandkropp från gjutning måste avlägsnas. Vikten hade då kunnat reduceras avsevärt utan att hållfastheten påverkades. Det primära uppdraget från företaget var att ta fram ventillyftare godkända för klassisk racing. Av denna anledning kombinerat med studiens avgränsningar i form av tid, låg fokus på att inte ändra material eller ventillyftarens design. Därav genererades inget koncept tillverkat i verktygsstål.

Sammanfattningsvis utgår koncept 1–5 från att inte ändra de vitala delarna.

Nya hål och en annan utformning av kronan kan spara uppemot 16% utan att ändra godstjockleken på lyftarna eller minska tvärsnittsarean. Dock måste hålen ligga i linje vertikalt för att inte hållfastheten ska reduceras. Hårdheten på sidorna på lyftaren ändras också men inte heller detta påverkar

hållfastheten negativt. Utformningen av de avlånga hålen i mitten på lyftaren kvarstår trots att det är möjligt att ändra dessa och minska

spänningskoncentrationen. Anledningen är att de avlånga hålen behövs vid avlägsnandet av sandkroppen inuti lyftaren vid gjutning. Som det beskrivs i 3.5.2 kan en varierande radie minska spänningskoncentrationerna till lägre än 1.15, vilket hade möjliggjort att tvärsnittsarean eller godstjockleken hade kunnat reducerats ytterligare. Eftersom det är en kostsam bearbetning, kombinerat med gjutningens defekter med porer och varierande

godstjocklek, valdes det i denna undersökningen att inte ändra denna aspekt.

Bottendelens konvexa utformning samt hårdheten (65HRC) består från originalkonstruktionen samt dess minsta tvärsnittsarea. Ytfinheten har också valts inte att ändras, då inga haverier kopplats till detta enligt intervjuer och där med inget primärt fokus. Enligt teorin uppstår friktionen i

ventilmekanismen, främst mellan kamaxel och ventillyftare. Denna kontakt uppgår till 30% av den totala friktionen i motorn. Därav skulle exempelvis en DLC beläggning kunna minska friktionen och på så sätt också öka verkningsgraden och effektiviteten i motorn. I en mer omfattande undersökning hade det varit möjligt att undersöka friktionen och dess relation till ytfinhet. En finare yta kräver högre precision med tillhörande toleranser leder till en högre tillverkningskostnad. Då efterfrågan på ventillyftare till Volvo B20 är begränsad har vi valt att inte undersöka ytfinheten närmre, utan tillämpar där av samma yta som är angivet i originalritningen.

6.8 Slutsats

Efter genomförd studie kan slutsatsen fastställas att vikt och hållfasthet inte har ett linjärt samband. Konceptframtagningen bygger på vidareutveckling av originalkonstruktionen. Genom att bottendelen bibehålls, cylindern och kronan bearbetas, kan ventillyftarens vikt reduceras och hållfastheten kvarstå. Efter genomförda tester kan hålen på cylindern addera och reducera styrka till konstruktionen vid viktreducering. Tillägg av hål i axiell riktning med en mindre diameter stärker konstruktionen genom att disponera

spänningsflödet i ventillyftaren. Addering av hål för att uppnå en konstant tvärsnittsarea genom cylindern reducerar hållfastheten, då det riktade spänningsflödet tvingas passera andra spänningskoncentrationer.

Det slutgiltiga konceptet är ventillyftaren med en konstant tvärsnittsarea och bearbetad krona. Maximal viktreducering kan då uppnås och en godtycklig säkerhetsfaktor av hållfastheten kvarstår.

Undersökningen visar att den mest optimala ventillyftaren är en lyftare i verktygsstål utan hål och med DLC beläggning. Utformning av och egenskaper hos en produkt är resultatet av efterfrågan och pris. Mot bakgrund att ventillyftaren ska gå att sälja till ett marknadsmässigt pris har vissa egenskaper valts att behållas medan vissa har ändrats.

Genom att reducera vikten på vissa rörliga komponenter i en motor kan både konsumtion av bränsle samt utsläppen reduceras. Detta eftersom

tröghetsmomentet avtar vid reducering av roterande massan. Vidare bidrar minskat tröghetsmoment till att verkningsgraden i förbränningsmotorn ökar.

Genom att också minska friktionen med DLC beläggning, kan

verkningsgraden i motorn höjas ytterligare. Den här undersökningen är ett bevis på att genom omkonstruktion av en äldre komponent, kan effektivisera motorn genom ökad bränsleeffektiviteten. Utsläppen reduceras vilket i sin tur bidrar till en hållbar utveckling ur miljösynpunkt. Detta kan såklart appliceras på redan existerande, men även framtida konstruktioner. Eftersom jordens resurser är begränsade bör en strävan efter högre verkningsgrad och mer effektiva produkter tillämpas. Studien påvisar därför att det ofta finns möjlighet till att förbättra en konstruktion.

Reducerad vikt av ventillyftaren har en direkt påverkan av ventilmekanismens totala tröghetsmomentet. Friktionen mellan kontaktytorna kan reduceras tack vare ventillyftarens reducerade vikt.

Sammanfattningsvis kan förbränningsmotorns verkningsgrad förbättras tack vare ventillyftarens reducerade vikt vilket resulterar i att mindre förluster i Ottomotorns kretsprocess.

6.9 Rekommendationer och vidare arbete

Nästa steg i processen är att färdigställa prototyper vilka senare bör testas för att se att uträkningarna och teorierna kring deras hållfasthet även

stämmer överens med verkligheten. För att ytterligare validera resultatet från beräkningarna, bör dessa genomföras med rätt materialdata som erhålls från gjuteriet. Då företaget inte har valt gjuteri ännu kunde slutliga materialdata kontrolleras under studiens tidsram. Utmattningsberäkningar med hjälp av Palmgren-Miner sats och mer data av belastningar hade kunnat fastställa utmattningen. Vidare bör också bränsleeffektiviteten och utsläppen för originalkonstruktion kontra de lättade lyftarna kontrolleras genom både beräkningar och tester i en motor. Flödet av spänningarna i en konstruktion visade sig vara avgörande för hållfastheten. För att bedöma och utföra beräkningar behövs dock en fördjupad kunskap. Därav finns en relevans i att undersöka detta vidare.

7. Referenser

Muntliga källor:

Reine Gustafsson. AGAP. Muntlig intervju samt kontinuerlig mail- och telefonkontakt. Intervju: 22/1-2021 och 30/4-2021. Mailkontakt: 20/1-2021-23/5-2021.

Jens Gustavsson. Swedish Racing Motors. Mailkontakt. 29/4-2021 Ingemar Norman. F.d konstruktör på Volvo Personvagnar. Mailkontakt.

26/2-2021

Gert-Owe Petersson. F.d Rallyförare. Muntlig intervju. 12/2-2021 Övriga Källor:

Al-Jebori, Y. Kosarieh, S. Ofune, M. Morina, A. & Neville, A. (2018).

Tribology International: Measuring tappet rotation in a valvetrain rig when lubricated in a fully formulated oil containing MoDTC-type friction

modifier.121, 442-449.

ALLEA – All European Academies (2018) Den europeiska kodexen för forskningens integritet. Berlin: ©ALLEA – All European Academies https://mp.uu.se/web/info/forska/etiskafragor/grundlaggande-riktlinjer.

Alvarez, H. (2006). Energiteknik D. 1 (3. uppl.. ed.). Lund: Studentlitteratur.

Araabaci, E. (2020). Performance analysis of a novel six-stroke otto cycle engine. Thermal Science, 144.

ASM International. (1996). ISTFA '96 (1st ed.). ASM International.

ASM International, (1993). Properties and Selection: Irons, Steels and High-Performance Alloys, vol. 1, ASM International, 1993.

Azwan, S, S. Syafik, J, M. Hassan, A. & Izamshah, R, A, R. (2017). The Effect of Surface Finish on Sculptured Shape Utilizing Scanned Data-Reversed Engineering (CATIA V5 & DELCAM). MATEC Web of Conferences, 97, 1112.

Bell A-G. (2012). Four-Stroke Performance Tuning. Somerset, England, J H Haynes.

Bell, J. & Waters, S. (2016). Introduktion till forskningsmetodik. 5:1 uppl.

Lund: Studentlitteratur AB.

Blomkvist, P. & Hallin, A. (2015). Metodik för teknologer: Examensarbete enligt 4-fasmetoden. Lund: Studentlitteratur AB.

Brusa, E. Ossola, E. Bonavolonta. R. & Mazzetto, A. (2020). LCF/TMF Model Based Approach for the Prediction of Fatigue Life of Components in Lightweight Automotive Engines. International Journal of Automotive Technology, 21(2), 297-308.

Chattopadhyay, R. (2001). Surface wear analysis, treatment, and prevention.

Materials Park, OH: ASM International.

Colpaert, H. (2018). Cast Irons. In Metallography of Steels - Interpretation of Structure and the Effects of Processing (pp. 1-4). ASM International.

De Castro, J. De Albuquerque Simões, D. De Menezes, I. Meggiolaro, M. &

Martha, L. (2016). A note on notch shape optimization to minimize stress concentration effects. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 84, 72-85.

Dobrenizki, L, Tremmel, S, Wartzack, S, Hoffmann, D.C, Brögelmann, T, Bobzin, K, Bagcivan, N, Musayev, Y, Hosenfeldt, T. (2016). Efficiency improvement in automobile bucket tappet/camshaft contacts by DLC coatings – Influence of engine oil, temperature and camshaft speed. Surface

& Coatings Technology, 308, 360-373.

Dowling, E. Kampe, L. & Kral, V. (2019). Mechanical Behavior of Materials. Harlow: Pearson Education Limited.

Eliasson, A. (2013). Kvantitativ metod från början 3. uppl. Lund:

Studentlitteratur AB.

Ferreira J.C. (2002). A study of cast chilled iron processing technology and wear evaluation of hardened gray iron for automotive application. Journal of Materials Processing Technology Volume 121, Issue 1.

Gere, J. & Goodno, B. (2012) Mechanics of Material. Fourth edition, January 2017.

Herrmann, K. (2011). Hardness testing principles and applications.

Materials Park, Ohio: ASM International.

Hosford, W, F. (2009). Mechanical behavior of materials. Cambridge University Press, second edition June (2012).

Jacobsen, D-I. (2002). Vad, hur och varför: om metodval i företagsekonomi och andra samhällsvetenskapliga ämne. översatt av Gunnar Sandin,

Studentlitteratur AB, Lund.

Jelenschi, L. Cofaru, C. Sandu, G. & Aleonte, M. (2011). State of the Art of Engine Valve and Tappet Rotation. University of Brasov, Series 1:

Engineering Sciences, Vol 4, No 2.

Jiang, L. Liu, L. Peng, X. & Xu, Z. (2020). Design and Analysis of a Fully Variable Valve Actuation System. Energies (Basel), 13(23), 6391.

Jimenez, M, Martinez, J, Figueroa, U, & Altamirano, L. (2014). Estimated S-N curve for nodular cast iron: A steering knuckle case study. International Journal of Automotive Technology, 15(7), 1197-1204.

Johannesson, H. Persson, J-G. & Pettersson, D. (2013). Produktutveckling:

Effektiva metoder för konstruktion och design. Uppl. 2, edStockholm: Liber AB, 2013 Print.

Jones, R. (2014). Fatigue crack growth and damage tolerance. Fatigue &

Fracture of Engineering Materials & Structures, 37(5), 463-483.

Juvinall, R., & Marshek, K. (2012). Machine component design (5. ed., International student version. ed.). Hoboken, N.J [u.a.: Wiley.

Kano, M. (2006). Super low friction of DLC applied to engine cam follower lubricated with ester-containing oil. Tribology International, 39(12), 1682-1685.

Lakshminarayanan, P A. & Nayak, Nagaraj S. (2011). Critical Component Wear in Heavy Duty Engines. Wiley: 1st edition.

Leijon, W. (2014). Karlebo Materiallära. Uppl.15. Stockholm: Liber.

Silva, D. A.L. Oliveira, J. A. Filleti, R. A. P. Oliveira, J. F.G. Da Silva, E. J.

& Ometto, A. R. (2018). Life Cycle Assessment in automotive sector: A case study for engine valves towards cleaner production. Journal of Cleaner Production, 184, 286-300.

Ma, M., & Qu, X. (2014). Computer-aided design, manufacturing, modeling and simulation IV: Selected, Peer Reviewed Papers from the 4th

International Conference on Computer-Aided Design, Manufacturing, Modeling and Simulation (CDMMS 2014), September 13-15, 2014,

International Conference on Computer-Aided Design, Manufacturing, Modeling and Simulation (CDMMS 2014), September 13-15, 2014,