Materialdata för ventillyftare i gråjärn
5. Resultat och analys
I detta kapitel presenteras, förklaras och analyseras resultaten från utförda tester och beräkningar. Resultaten redovisas enligt den ordning de är beskrivna i föregående kapitel vilket också är i den ordning de är utförda i.
Även resultatet i from av viktminskning för de olika koncepten visas här.
5.1 Tester Ursprungskonstruktion
Resultat från testerna av ursprungskonstruktionen för ventillyftaren redovisas här.
5.1.1 Hårdhetsmätning
Tabell 3 visar att originallyftaren är hårdare i botten och cylindern än angivet på ritningen. Botten av originallyftaren är mer än 150HV hårdare och cylindern 200HV hårdare. Mätningen visar även att originallyftaren är mycket hårdare än eftermarknadslyftaren och kravet på ca 100 vickers hårdare botten uppfylls ej på eftermarknadslyftaren.
Tabell 3: Resultat från hårdhetstest
Rockwell C Vickers
Sida Botten Sida Botten
Medel original 59 65 710 860
Medel eftermarknad 22 59 240 710
5.1.2 Simulering av ursprungskonstruktion
Simuleringen av ursprungskonstruktionen påvisade att största spänningskoncentrationen sker vid övergången från den raka till den cirkulära delen på hålet, se Figur 16. Då endast gråjärn var tillgängligt i Solidworks påvisade resultatet att sträckgränsen ej hade uppnåtts samt var bristerna i konstruktionen fanns.
Figur 16: Resultatet från simuleringen av ursprungskonstruktionen. I stapeln till höger i bilden visas färgernas betydelse från mörkblått som är lägst belastning till rött som är
högst belastning
5.1.3 Kompressionstest
I bilderna från höghastighetskameran, se Figur 17, visas hur
sprickbildningen går till. Här syns att sprickbildningen börjar vid hålets övre kant, men även vid mitten på lyftaren där belastningen för knäckning är som störst.
Figur 17: Hur sprickbildningen går till
Testet visade att lyftaren sprack vid hålets övre kant och inte vid
övergången. När testet var utfört analyserades delarna och som väntat var det i en defekt vid den grovt bearbetade kanten som sprickbildningen började. En annan sak som upptäcktes vid analysen av delarna var att insidan av lyftaren var väldigt grov. Väldigt mycket defekter och porer från gjutningen syntes och det var där de större porerna på insidan var som sprickbildningen hade startat, se Figur 18.
Figur 18: Sprickbildningen uppstår där spänningskoncentrationen är som störst samt vid defekterna från gjutningen
Ytan vid kanterna av hålet analyserades noggrant i mikroskop innan kompressionstestet, se Figur 19. Som bilden visar är hålets kant mycket grovt bearbetad. Ett antagande till möjlig sprickbildning gjordes.
Kompressionstestet bekräftar att spänningskoncentrationen är hög på detta område och medför startpunkten för sprickbildningen. Anledningen till att lyftaren brister här och inte enligt simuleringen där
spänningskoncentrationen är som störst, är den grova bearbetningen av radien.
Figur 19: Kanten vid hålets övre del
Kompressionstesternas resultat visas i Tabell 4 och där med kunde konstruktionens brottgräns beräknas. Resultatet blev att originallyftarens brottgräns är något lägre än materialet som användes i uträkningarna.
Eftersom lyftarens konstruktion innehåller hål, porer från gjutningen och liknande defekter, är det möjligt att materialdata överensstämmer. Vid kompressionstest av eftermarknadslyftaren visade den på en betydligt högre brottgräns. Detta visas i Tabell 4.
Tabell 4: Resultat från kompressionstest, mer utförliga data finns i Bilaga 11
Testnummer Brott (N) Spänning (MPa)
Ventillyftaren original
1 38 000 440
2 39 900 450
3 33 800 382
Ventillyftare eftermarknad
4 60 300 496
5 62 700 516
6 63 200 520
Medel original 37 500 424
Medel eftermarknad 62 100 510
5.1.4 Utmattningstest
Under utmattningstestet sprack inte lyftarna på samma punkt som
kompressionstestet. Sprickan kunde istället lokaliseras vid övergången från den raka delen på hålet till den cirkulära delen, vilket stämmer överens med den simulering som utfördes i avsnitt 5.1.2, se Figur 16.
5.2 Beräkning av ursprungskonstruktion
Resultat för uträkningar gällande ursprungskonstruktionen för ventillyftaren, innefattas av kompression, knäckning, utmattning, nötning och kontakttryck redovisas här.
5.2.1 Kompression
Den statiska spänningen baserat på maxbelastningen från kamaxeln och stötstången uppgår till 61.13MPa. 𝜎𝑚𝑎𝑥,𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 380𝑀𝑃𝑎. Resultatet tyder på att materialet inte kommer deformeras av endast maxlasten. Vid genomfört kompressionstest uppmättes originalkonstruktionens brottgräns till cirka 420MPa och för eftermarknadslyftaren 510MPa. Brottgränsen är således betydligt högre än de spänningar lyftaren utsätts för i
förbränningsmotorn.
5.2.2 Knäckning
Lasten som krävs för att få ventillyftaren att deformeras tack vare knäckning uppgick till:
𝑃𝑐𝑟 = 8,7 ∗ 1012 𝑁
Summerad maximal kompressionskraft kraft under drift: 5410N 𝑃𝑐𝑟 > Summerad kompressionskraft
Lyftaren kommer således ej att deformeras på grund av knäckning.
5.2.3 Utmattning
Enligt beräkningar på ursprungskonstruktionen tillämpades en säkerhetsfaktor 1.6 vid tillverkningen av lyftaren. Minsta tillåtna
tvärsnittsarea som ventillyftaren måste besitta är 55.28mm. Säkerhetsfaktorn kan minskas mer och det finns på så sätt möjlighet till reducerad
tvärsnittsarea.
Beräkningarna redogör att de viktigaste parametrarna för hållfastheten är typ av material och diametern på hålen vilket ger spänningskoncentrationerna och tvärsnittsarean. I tillämpade koncept behåller hålen samma diameter och materialet ändras ej. Hållfastheten påverkas därför inte då tvärsnittsarean ej
reduceras. Det finns således mycket material i lyftaren som är överflödigt och avlägsnas utan att säkerhetsfaktorn reduceras.
5.2.4 Nötning och kontakttryck
Volymen som nöts bort varje kamaxelvarv på grund av belastningarna vid maximalt varvtal utan smörjmedel är 6.38 ∙ 10−9𝑚𝑚3. Detta sker dock på kamaxeln och inte ventillyftaren då kamaxeln är den mjukare av de två. Det kommer ske en förslitning på ventillyftaren då partiklar tar sig in mellan de två kontaktytorna. För att avgöra hur stor förslitningen är krävs tester.
Beräkningarna är utförda med koefficienten för glidytor utan smörjning på grund av bristande information angående denna faktor.
I Tabell i 5.1.1 redogörs att ventillyftaren besitter en mycket hög hårdhet.
Anledningen till kravet på ytans hårdhet är att kontakarean mellan
ventillyftarens botten och kamaxelns nock är mycket liten. Den extremt lilla kontaktytan mellan de två kropparna utsätts för hela lasten på 5410N. Enligt beräkningarna behöver hårdheten på botten av lyftaren vara minst 740HV.
De lyftarna som testades var cirka 860HV, vilket medför säkerhetsfaktorn 1,16 för kontakttrycket i botten av ventillyftaren. Kronan behöver enligt beräkningarna endast ha en hårdhet på 30HV. Det är betydligt lägre än hårdheten på originallyftaren vilken uppmättes till 710HV. Säkerhetsfaktorn för den övre delen på lyftaren uppgår där med till 22.53. Detta betyder att hårdheten på botten av lyftaren måste ha ungefär den hårdheten som uppmätts. Däremot behöver inte lyftarens krona innefattas av samma krav.
Kraven på cylinderns hårdhetlyftaren behöver ej besitta den hårdheten som är angiven på originalritningen. Cylinder delen utsätts inte för något kontakttryck, utan endast friktion då den glider upp och ner i ett
cylinderlopp. Därför är ytfinheten viktigare än hårdheten på ventillyftarens sida. Hårdare material ger en högre sprödhet. Eftersom lyftaren utsätts för kompression kan det vara bra att cylindern är något elastisk. Detta styrker också att ventillyftaren inte bör erhålla 60HRC hårdhet i cylindern.
5.3 Material
Den viktigaste egenskapen för lyftarna är hårdheten på undersidan, vilket bör uppgå till 65HRC eller cirka 860HV. Detta för att stå emot det kontakttryck som finns mellan lyftare och kamaxel.
Materialet som använts i originallyftarna är härdat gråjärn som ger en vit struktur. I kapitel 2.2.1 benämns gråjärn erhålla låg dragbrottgräns och hög tryckbrottgräns. Materialets egenskaper är därför väl anpassade för lyftarna då de endast utsätts för kompression. Då lyftarna bland annat ska kunna brukas i klassisk racing får inte materialet ändras. Detta innebär att
koncepten utgår från samma material som används enligt originalritningen.
Om lyftarna ska optimeras mot lägsta möjliga vikt finns andra material som är mer lämpliga. Någon typ av verktygsstål är det bästa materialet för att minska vikten men samtidigt behålla de viktigaste egenskaperna. Om ett sådant material används kan godstjockleken reduceras betydligt utan att ventillyftarens hållbarhet påverkas. Detta eftersom verktygsstål kan uppnå en betydligt högre sträckgräns än grå- eller vitjärn. Verktygsstål innehåller också färre porer och defekter än vad som finns i gjutjärn. Det innebär även att säkerhetsfaktorn kan reduceras, då risken för slumpmässiga haverier på grund av defekter i materialet minskar. Enligt kapitel 4.4.1 behöver inte arean vara mer än en sjundedel om ventillyftaren tillverkas i Uddeholm Unimax.
5.4 Koncept
Då spänning utgörs av kraft fördelad på tvärsnittsarea vilket ej förändras i koncept 1–5, har således säkerhetsfaktor eller utmattningsgräns ej påverkats.
Viktminskningen för koncepten visas i Tabell 5.
Tabell 5: Viktminskningen för varje koncept, dels i gram och dels i procent
Koncept
5.4.1 Simulering av koncept
I simuleringen av koncepten påvisar att sträckgränsen för materialet ej uppnåtts. Största belastningen på lyftaren flyttats från kanterna på det större hålet till de nya hålen 90˚ från ursprungshålen. Detta visas i Figur 20.
Simuleringen påvisar också hur spänningsflödet av lasten går diagonalt mellan hålen i lyftaren.
Figur 20: Resultatet från simuleringen av koncept 2
I Figur 21 visas hur spänningarna i konstruktionen flödar beroende på hur hålen placeras. Om hålen är placerade i samma linje vertikalt, färdas
spänningarna över en större area jämförelsevis mot när hålen är placerade på olika sidor av konstruktionen.
Figur 21: De två bilderna till vänster visas flödet för spänningarna om hålen placeras 90 grader från det ursprungliga hålet. De två bilderna till höger visas flödet för spänningarna
om alla hål är placerade på samma sida
5.4.2 Test av koncept
Testet av koncepten påvisar att hållfastheten påverkas genom att addera nya hål även om tvärsnittsaren bibehålls. Enligt testerna och simuleringen är det placeringen av hålen som är det mest avgörande för hållfastheten. Om nya hål placeras i samma axiella riktning påverkas däremot inte hållfastheten. I Tabell 6 redovisas resultatet av kompressionstesterna, vilket tyder på att vissa av de bearbetade lyftarna kan belastas med lika stor eller större kraft än
originalkonstruktionen, beroende på hur hålen placeras.
Tabell 6: Testresultat för koncepten från kompressionstest, mer utförliga data finns i Bilaga 11
Testnummer Brott (N) Spänning (MPa)
Original bearbetad, 4 nya hål (Axiellt)
1 47 400 535
2 39 300 443
3 40 500 458
Eftermarknad bearbetad, 8 nya hål
4 49 100 404
5 51 500 423
6 47 300 389
Eftermarknad bearbetad, 4 nya hål (90° från ursprungligt hål)
7 41 600 342
8 44 300 364
Medel original 42 400 480
Medel eftermarknad 49 300 405
Medel eftermarknad (90°) 43 000 353
Testet av utformningen med 8 nya hål innefattades av en något mindre tvärsnittsarea. Detta för att alla de nya hålen skulle besitta samma diameter.
Resultatet visar att ventillyftarna brast vid något lägre belastning än
originalkonstruktionen. Testet visar också att utformningen med 4 nya hål 90°
från ursprungshålen klarar lägre belastningar än den med 8 nya hål.
Utformningen där hålen är placerade i linje med ursprungshålen klarade dock högre belastningar än ursprungskonstruktionen. Simuleringen visar att
spänningen sprids ut över en större yta när hålen är placerade som i Figur 19 än om de är placerade likt lyftaren till vänster i Figur 20.