I ett tidigt skede utförs ett test på den gamla variant av kugghjulspump som tillverkats av företaget. Detta test utförs i syfte att bekräfta att kuggprofilen är av ett bra utförande och sker genom att pumpa luft med pumpen. Tidigt i projektet uppkom ett orosmoment om hur pumpen klarade att det hantera luft i smörjsystemet. En enkel testrigg skapas med en borrmaskin som driver axeln på pumpen och från pumpen en slang ned till en balja med vatten. När borrmaskinen körs stiger vattnet i slangen och på detta sätt kan det bekräftas att pumpen pumpar luft(Figur 44).
När pumpen som arbetas fram i det här projektet färdigställts utförs även ett test av den. Syftet med testet är att bekräfta pumpens funktion. Moment som ingår i det är att överstömmaren fungerar och öppnar när trycket blir för högt, mäta vridmomentet för krävs för att driva pumpen och se att det blir undertryck i vevhuset.
Eftersom motorcykelmotorn som pumpen ska sitta på inte är färdig skapas en testrigg för att kunna bekräfta pumpens funktion. Riggen består av delar som ska representera det delar som finns i motorcykelmotorn (Figur 45).
Reservoaren skapas som en behållare (på bilden röd) och under den sitter pumpen i ett skruvstäd. Eftersom behållaren inte är som styv förstärks den med en metallplatta på insidan. Från pumpens tryckhus går en slang till en ventil med tryckmätaren. Slangen som valts är genomskinlig för att se oljan. Ventilen skapas i manuella maskiner med en slangkoppling i varje ände och i
genomströmningen sitter först en sensor till tryckmätare och sedan en strypning (Figur 46).
Strypningen representerar motståndet i motorcykelmotorn. Från tryckmätarens sensor går kablar till en visare som där trycket kan utläsas. Från ventilen går en slang till vevhuset som i testriggen
representeras av en dunk med in- och utlopp. Locket på dunken är försett men en slang tunn slang som kan användas som två funktioner. Försluts slangen i änden skapas ett undertryck i vevhuset om pumpen fungerar som tänkt och tas förslutningen bort och änden placeras i en vattenbehållare kan trycket mätas i mvp (meter vattenpelare) genom att helt enkelt mäta hur högt vattnet sugits upp av undertrycket. Från vevhusets utlopp går en slang till pumpens sughus.
Figur 46 Ventil med trycksensor och strypning
För att mäta vridmomentet på pumpen kan den inte sitta fast i skruvstädet utan monteras istället i en konstruktion som gör att pumpen kan rotera runt sin drivaxel. Pumpens axel placeras i ett kullager i ställningen vilket möjliggör rotationen. På själva pumpen monteras en arm som går ut till en våg, på det här sättet ges data för att räkna ut vridmomentet. I övrigt är testriggen den samma som den tidigare (Figur 47).
Figur 47 Testrigg för test av vridmoment
Första testet som utförs av projektets pump är att mäta trycket och till det används riggen i Figur 45. Olja fylls på i systemet och istället för en tilltänkt motor används en skruvdragare för att driva axeln och styra varvtalet på pumpen. Flödet stryps genom att skruven på strypningen skrivas ner en bit vilket gör att slangsektionen mellan pumpen och strypningen trycksätts. Trycket läses av på tryckmätaren och då bekräftas överströmmarens funktion då den trots varierande varvtal håller trycket på konstant nivå inom toleransgränserna för trycket (Figur 48).
Figur 48 Tryckmätaren
Testet bekräftar även tryckstegets funktion då det klarar att skapa angivet tryck och sugstegets funktion då olja evakueras tillräckligt snabbt ur vevhuset och undertryck uppstår i det. Att undertryck uppstår i vevhuset visar sig i testet genom att dunken som ska representera vevhuset suger ihop sig om den tunna slangen i locket är tilltäppt och dunken där med försluten (Figur 49). Undertrycket
påvisades även genom att suga upp vatten i den tunna slangen.
Figur 49 Undertryck skapas i "vevhuset"
Andra testet av oljepumpen utfördes med testriggen i Figur 47 för att mäta vilket vridmoment pumpen har. Som beskrivet i testriggens utformning placerades en våg i änden på armen från pumpen. Vid start av test nollställdes vågen, sedan monterades borren på axeln och pumpade oljan genom systemet på samma sätt som i första testet. När borren nått lämplig hastighet avlästes både trycket på
tryckvisaren och vikten på vågen av samtidigt. Ur mätdata beräknas momentet som krävs för att driva pumpen.
5 Resultat
Enligt Bernoullis ekvation är det tryckenergi som är dimensionerande för oljepumpen vid denna tillämpning. Lägesenergi och rörelseenergi kan försummas. Strömningen är laminär beräknas vara laminär i större delen av smörjsystemet. Därför borde även förluster kunna försummas.
För att drivenheten ska arbeta under den last den är designad att klara under kontinuerlig drift krävs då att pumpen går så lätt att den mekaniska verkningsgraden är minst 66 %.
Genom att kontrollera oljepumpens varvtal är teoretiskt en effektbesparing på 225 W möjlig vid förbränningsmotorns maxvarv i denna tillämpning. Detta innebär en procentuell minskning av oljepumpens teoretiska energianvändning på 90 %.
En fungerande prototyp av pumpen har tillverkats med hjälp av både manuella och CNC-styrda verkstadsmaskiner.
Pumpens konstruktion är anpassad för tillverkningsmöjligheterna som finns hos uppdragsgivaren och flera konstruktionsändringar och beslut har genomförts för att underlätta tillverkningen.
Alla pumpens delsystem fungerar bra. Trycksteget levererar tillräckligt högt tryck, övertrycksventilen håller trycket på en konstant nivå inom toleransgränserna för trycket och retursteget evakuerar olja tillräckligt snabbt för att skapa undertryck i vevhuset. Testerna som utförs i riggen visar på att pumpen fungerar tillfredsställande bortsett från att den går för tungt att rotera för den tilltänkta drivenheten.
6 Slutsats
Samtliga mål som sattes upp vid projektets start har uppfyllts.
Genom att undersöka och värdera relevanta pumptyper fastställdes att kugghjulspumpen är den mest lämpliga för denna tillämpning med de tillverkningsresurser som erbjöds.
Genom att kontrollera oljepumpens varvtal är teoretiskt en förhållandevis stor effektbesparing möjlig vid höga varvtal. Detta arbete slår fast att den lämpligaste principen för att reglera oljepumpens effekt i denna tillämpning är att använda en överströmmare för att hålla trycket konstant. Principen att variera deplacementet hos en mekaniskt driven pump berörs också vilket uppfyller målet att värdera principer för att reglera pumpens effekt.
Valet av princip för att reglera pumpens effekt präglas av att minimera risken för driftstörningar. Detta uppnås genom att använda så få komponenter som möjligt men samtidigt möjliggöra start av
oljepumpen innan motorcykelns förbränningsmotor startas. Även målet om att minimera konsekvenser vid driftstörningar anses uppfyllt.
Att fortsätta projektet och gå vidare från den datoriserade modelleringen till att bereda och tillverka pumpen har gett goda kunskaper i att följa hela processen. Något som upplevdes som en god konstruktion i datorn var inte alltid det i verkligheten. Arbetet slutade i en fysisk och fungerande prototyp.
7 Diskussion
Projektets upplägg har varit väldigt lärorikt. Att starta med att sätta sig in området via en
litteraturstudie gav en bra förståelse för vidare arbete med konstruktionen. Utarbetandet av koncept har krävt både lyhördhet från uppdragsgivaren och tillämpning av både äldre och nyinhämtad kunskap. Utgångsläget i slutmodelleringen i CAD infattade flera lärorika moment. Dels tilldelades en tidigare CAD-modell där rotorerna och deras passning i pumphusen kunde bevaras, samtidigt som pumphusen också hade funktioner och utformning som skiljde sig från den pumpen som togs fram i det här projektet. En tilldelad modell där en del önskades behållas och mycket omkonstrueras gav stora kunskaper i hur olika konstruktörer väljer att bygga upp sin modellering.
Lärdomar om att anpassa konstruktionen efter tillverkningsbarheten blev påtaglig. Det var en framgång att ha nära mellan konstruktionsdatorn och verkstaden. Även om tillverkningsbarheten teoretiskt var god krävdes att konstruktionen var anpassad för den specifika verkstadens resurser. Modelleringen skedde i flera steg under kontinuerliga diskussioner med uppdragsgivaren.
De testriggar som använts är primitiva men anses leverera tillräckligt tillförlitliga resultat för att använda i arbetet. Med mer resurser för testning kan noggrannare resultat med lätthet erhållas. Att ha tillverkat en fysisk och fungerade oljepump var ett av målen som genom dessa tester uppnåddes delvis eftersom den inte testats med den tilltänkta drivenheten.
8 Rekommendationer
Rekommendationer inför nästa tillverkning av pumpens delar är att se över toleranserna rotorerna emellan och på höjden för att passa bra mellan nedsänkningen och locket. Rotorernas ämnen hade dock tillverkats med några hundradelar undermått på höjden så där ligger troligen felet i att ”lockens” styrgeometri bearbetats med olika verktyg och att dessa inte längdkompenserats perfekt. Om man vill behålla den befintliga styrgeometrin rekommenderas att den bearbetas med samma verktyg och på så sätt eliminera den faktorn. Rekommendationen är dock att använda styrstift istället.
Vidare kan bearbetningsmetoden för axellagringarna ses över för att förbättra deras koncentricitet och parallellitet för att höja pumpens mekaniska verkningsgrad. Rekommendationen är undersöka
möjligheten att kunna bearbeta hålet för axeln efter att pumphusen monterats ihop.
Om en ny pump tillverkas kan ett nytt test för att kontrollera den mekaniska verkningsgraden genomföras. Vid lyckat test kan sedan ett arbetsvarvtal bestämmas för pumpen med den metod som presenteras i kap 4.3. Då arbetsvarvtalet bestämts kan mätningar av flödet under det varvtalet utföras för att bekräfta att även den volymetriska verkningsgraden är högre än 63 %.
Eftersom fokus i projektet har varit att pumpen ska vara liten och lätt är en rekommendation även att se över ytterkonturen av pumpen. Sughuset är det som fokus bör ligga mest på då eftersom där är de hus som projektet inte bearbetade utsidan på så mycket då hänsyn eventuellt behöver tas till
elmotorns infästning. Att konstruera om utsidan skulle ske i syfte att ta bort material och på så sätt minska vikten på pumpen.
För att minska konsekvenser vid driftstörningar bör en trycksensor kopplad till en krets som bryter motorns tändning användas.
Om man önskar komma närmare denna teoretiskt maximala effektbesparingen på bekostnad av tillförlitlighet rekommenderas att undersöka möjligheten att ersätta överströmmaren med reglering av motorns effekt. En input i den kretsen skulle kunna vara strömmen genom motorn då den är
proportionell mot tryckändringen över pumpen. Det är dock inget som rekommenderas till denna tillämpning på grund av den minskade tillförlitligheten hos systemet.
Referenslista
BAYRAKTAR, H. C., & BALIK, H. H. (2015). The Control of Brushless DC Motors. INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTRONICS.
Biltema. (u.å.). MC-olja, Racing 10W-40. Hämtat från Biltema:
http://www.biltema.se/BiltemaDocuments/TechnicalDataSheets/36958_TDS.pdf den 26 05 2017
Brushless motors - how they work and what the numbers mean. (u.å.). Hämtat från Dronetrest: http://www.dronetrest.com/t/brushless-motors-how-they-work-and-what-the-numbers-mean/564 den 07 april 2017
Carr, E., & Rogozinski, M. (2003). FSAE Engine Dry-Sump Oiling System Design. Drexel University Libraries.
Casey, B. (mars 2011). Hydraulic Pumps and Motors: Considering Efficiency. Machinery lubrication. Dahlvig, G. (1998). Rörledningar. i G. Dahlvig, Energi (ss. 18-31). Liber.
Editors of Hydraulics & Pneumatics . (den 1 januari 2012). Engineering Essentials: Fundamentals of Hydraulic Pumps. Hydraulics & Pneumatics .
El-samahy, A. A., & Mohamed, S. A. (2016). Brushless DC motor tracking control using self-tuning fuzzy PID control and model reference adaptive control. Ain Shams Engineering Journal, 1-12.
Holmberg, S. K. (den 2 juni 2017). (S. Bergman, Intervjuare)
Kowalewsky, K. (den 1 maj 2000). Small motors, big considerations. Machine design.
McKenna, S., McKeown, C., Sloan, G., McCullough, G., & Cunningham, G. (2011). Dry Sump Design for a 600cc Yamaha YZF-R6 Engine. Japan: Queen’s University Belfast.
Nordlund, S. (2004). Fuel consumption reduction through power optimization of an oil pump. Stockholm: KTH.
Nunney, M. (1992). Engine lubrication. i M. J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology (ss. 91-111). Butterworth-Heinemann Ltd.
OK-Q8 AB. (u.å). Allt du vill veta om motorolja. Hämtat från OKq8: okq8.se den 5 april 2017 SL Montevideo Technology Inc. (u.å.). BRUSHLESS VS BRUSHED MOTORS. Hämtat från SL
Montevideo Technology Inc: http://www.dynetic.com/brushless%20vs%20brushed.htm den 04 04 2017
Sully, F. (1988). The lubrication system. i F. Sully, Motor Vehicle Mechanic's Textbook (ss. 110-121). Heinemann Professional Publishing Ltd.
Titus, J. (den 20 augusti 2012). Careful designers get the most from brushless DC motors. ECN. Velineon 3500 Overview. (u.å.). Hämtat från Traxxas: