Utveckling av testrigg inom effektcirkulation

Utveckling av testrigg inom

effektcirkulation

Samuel Andersson

Patrik Nilsson

Civilingenjörsexamen Maskinteknik

Luleå tekniska universitet

S

AMMANFATTNING

Lule˚a tekniska universitet har sedan l˚ang tid tillbaka bedrivit forskning inom tribolo-gi p˚a institutionen f¨or teknikvetenskap och matematik. I samband med forskning inom transmissionsf¨orluster ¨oppnades m¨ojligheter f¨or ett examensarbete d˚a en testrigg skulle konstrueras. Arbetet ¨ar utf¨ort p˚a Tribolab vid Lule˚a tekniska universitet och Vicura AB har bidragit med sitt kunnande inom transmissioner samt flertalet komponenter. Dess huvudsakliga syfte och m˚al ¨ar att genom utveckling av en testrigg m¨ojligg¨ora studier av driftsf¨orh˚allanden i ett kuggingrepp, m¨ata f¨orluster i ett kuggingrepp och fastst¨alla vilka tribologiska komponenter som presterar fr¨amst. Den ska ocks˚a anv¨andas till att skilja p˚a tomg˚angsf¨oruster samt f¨orluster som ¨okar med p˚alagt moment.

I begynnelsefasen av examensarbetet gjordes en litteraturstudie om vad som finns i dagsl¨aget inom omr˚adet. En av de mest k¨anda testriggarna betr¨affande effektcirkula-tion ¨ar FZG. Ut¨over FZG hade ocks˚a Lule˚a tekniska universitet en testrigg inom detta omr˚adet tidigare men av mindre modell. Genom information fr˚an dessa samt ett flertal andra riggar inom omr˚adet skapades en bild ¨over vad som kommer att kr¨avas. Efter detta gjordes ett bes¨ok hos Vicura AB i Trollh¨attan, h¨ar diskuterades flera befintliga transmis-sionstester och tidigare erfarenheter luftades. Senare uppr¨attades en kravspecifikation. Utvecklingen av riggen startade med en omfattande konceptgenereringsfas och en layout. F¨or att v¨alja ett koncept skedde f¨orst en grovs˚allning grundad p˚a erfarenheter fr˚an lit-teraturstudien och d˚a fyra koncept ˚aterstod nyttjades en konceptviktningsmatris. Med ett fastslaget koncept p˚ab¨orjades n¨asta fas “Konstruktion och dimensionering“. Denna inneh˚allande mestadels CAD-modeller och ritningsunderlag. F¨or att f˚a riggen tillverkad anlitades ett externt f¨oretag och vissa mindre detaljer har tillverkats vid universitetet.

F¨or att verifiera hur v¨al testriggen presterar har ett antal olika tester utf¨orts, d¨aribland tester med olika oljor, oljeniv˚a, last och varvtal. Resultaten fr˚an testerna var vad som f¨orv¨antats vilket tyder p˚a att testriggen b¨or prestera tillfredsst¨allande. Det finns dock n˚agra saker att ta i beaktning betr¨affande felk¨allor som n¨amns under diskussionskapitlet. F¨orlusteffekten varierar beroende p˚a de f¨oruts¨attningar som k¨ors i riggen men i normal-fallet ligger den mellan 4-7%.

A

BSTRACT

Lule˚a University of Technology has since a long time been engaged in tribology research at the Department of Engineering Science and Mathematics. The research in transmis-sion losses opened for a thesis project for when a new test rig for power recirculation was needed. The thesis is performed in Tribolab at Lule˚a University of Technology and Vicura AB has contributed its expertise in transmission and several components for the rig. Its main purpose and goal is that by developing a test rig enabling the study of operating conditions in a gear mesh, measuring the losses in a gearbox and determine the tribological components that perform mainly. It should also be used to distinguish idle losses and losses that increase with torque.

In the initial phase of the work was a literature review of what exists in the current situation in the area carried out. One of the most known test rigs for power recirculation is FZG. In addition to the FZG rig Lulea University of Technology had another test rig in this area before. By gathering information from these and numerous other rigs an idea was created of what will be required. After this part there was a visit to Vicura AB in Trollh¨attan, here were several existing transmission tests discussed and past experience was aired.

After the identification of problem areas a number of requirements were set. The func-tions that were required and those that were more desirable were specified. The devel-opment of the rig started with generating numerous concepts and making a layout. For concept selection a rough screening was carried out based on the experience of litera-ture and the four remaining concepts utilized a concept weighting matrix. With a solid team concept began the next phase “Construction and Design “ in development. This is mainly of CAD models, drawings and assembling. Parts to the test rig was made by an external company, Nova industri, and some minor details have been manufactured at the university.

To verify how the test rig performs different tests were set up, including tests with different oils, oil level, load and speed. This resulted in several good and expected re-sults, the test rig seems to perform as intended. However, there are some things to take into consideration regarding sources of error and thiese are mentioned in the discussion chapter. Depending on conditions the power losses varies, but normally between 4-7%.

F ¨

ORORD

Examensarbetet ¨ar genomf¨ort i samarbete med Vicura AB och Lule˚a tekniska univer-sitet d¨ar universitetet ocks˚a var uppdragsgivare. Avdelningen f¨or maskinelement l¨agger stort fokus p˚a forskning och utbildning inom tribologi och s˚ag ett behov av en s˚a kallad ef-fektcirkulationsrigg. Detta ledde till att ett m˚al f¨or f¨oljande examensarbete uppr¨attades. Fr˚an Vicuras sida s˚ags ocks˚a ett intresse i en effektcirkulationsrigg vilket ledde till ett samarbete. Vicura AB har varit en bra st¨ottepelare och bidragit med m˚anga komponen-ter f¨or att arbetet skulle g˚a att utf¨ora under denna tidsperiod.

Arbetet har utf¨orts p˚a Lule˚a Tekniska Universitet p˚a Tribolab d¨ar ide`er har bollats med handledare Marcus Bj¨orling, P¨ar Marklund och examinator Roland Larsson. Ut¨over dessa tre personer riktas ett stort tack till Magnus Fridh p˚a Vicura AB, ¨ovriga personer p˚a Vicura AB och Tribolab som varit till hj¨alp samt Nova Industri AB som tillverkat riggen.

Samuel Andersson och Patrik Nilsson 19 juli 2011, Lule˚a

I

NNEH

ALL

˚

Kapitel 1 – Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte och m˚al . . . 2 1.3 Metod . . . 2 Kapitel 2 – Teori 3 2.1 Effektcirkulation . . . 3 FZG testrigg . . . 5

Tidigare testrigg vid Lule˚a tekniska universitet . . . 6

2.2 Tribologi . . . 7

Sm¨orjning . . . 8

N¨otning . . . 9

2.3 V¨axell˚adsf¨orluster . . . 10

Skvalpf¨orluster . . . 11

Luftmotst˚and . . . 11

Lager- och T¨atningsf¨orluster . . . 12

Glid- och Rullfriktion . . . 12

Kapitel 3 – Metod 13 3.1 Konceptgenerering . . . 13 3.2 F¨orklaring av koncept . . . 13 Momentinsp¨anning . . . 14 Axeljustering . . . 17 3.3 Konceptutv¨ardering . . . 19 Momentinsp¨anning . . . 21 Axeljustering . . . 22 3.4 Konceptval . . . 24

Kapitel 4 – Utveckling & Konstruktion av testrigg 25 4.1 Chassi . . . 25

Gavlar . . . 26

Axlar . . . 27

Momentinsp¨anning . . . 31

Kopplingar . . . 35

4.3 Montering . . . 36

Val av bord . . . 36

F¨asten . . . 37

Kapitel 5 – Testmetod & Testresultat 39 5.1 Genomf¨orande av test . . . 39

5.2 Testresultat . . . 41

Kapitel 6 – Diskussion 47 Kapitel 7 – Slutsats 49 Kapitel 8 – Framtida arbete 51 8.1 Allm¨anna ¨andringar . . . 51

8.2 M¨atning/Datahantering . . . 53

8.3 Onskv¨¨ arda egenskaper . . . 53

Appendix A – Labkompendium effektcirkulation 55

Appendix B – Kravspecifikation 63

Appendix C – Anv¨andarguide 65

Appendix D – Ritningar p˚a testrigg 69

K

APITEL

1

Inledning

Under detta kapitel redovisas bakgrunden till detta arbete. H¨ar presenteras vilka som sett ett behov av att det utf¨ors, varf¨or behovet finns och syften och m˚al som fastst¨allts. H¨ar berskivs de metoder som anv¨ants f¨or att ta reda p˚a dessa kriterier och vad de resulterat i.

1.1

Bakgrund

Med de h¨oga verkningsgrader som verkar i ett kuggingrepp ¨ar det sv˚art att m¨ata f¨orlusten med acceptabel noggrannhet genom att bara m¨ata in- och uteffekt. En av de f¨orsta att anv¨anda sig av effektcirkulation var Rikli [1] som utf¨orde sina tester i b¨orjan 1900-talet. I fordonsapplikationer varierar b˚ade varvtal och vridmoment beroende p˚a k¨orf¨orh˚allanden. F¨or att kunna j¨amf¨ora resultatet fr˚an testriggen b¨or dess f¨orh˚allanden efterlikna v¨axell˚adans i m¨ojligaste m˚an. Det finns flera bra l¨osningar f¨or att variera varvtalet under drift, den stora utmaningen med denna typ av rigg ¨ar att kunna variera momentet enligt ¨onskem˚al och m˚anga patent har beviljats f¨or detta. ¨Onskv¨art ¨ar ocks˚a att f˚anga upp kritiska driftf¨orh˚allanden som leder till att sm¨orjfilmen bryts ned och fullfilmssm¨orjning inte uppr¨atth˚alls. Detta ¨okar i sin tur friktionen i kontaktytan och d¨armed n¨otningen. H¨ogre friktion i kontaktytan ger h¨ogre f¨orluster i v¨axell˚adan och h¨ogre utsl¨app d˚a effektiviteten sjunker. Med de str¨anga milj¨okrav som f¨oretag idag arbetar efter finns stora m¨ojligheter att st¨arka sitt varum¨arke om f¨oretaget visar sig starkt p˚a detta omr˚ade. Detta med tanke p˚a den i dagsl¨aget g¨allande utsl¨appsnormen Euro 5 och den kommande Euro 6 med ytterligare sk¨arpta krav som tr¨ader i kraft september 2014 f¨or personbilar enligt EU-lagstiftningen [2].

Lule˚a tekniska universitet har sedan l˚ang tid tillbaka bedrivit forskning inom tribologi p˚a institutionen f¨or teknikvetenskap och matematik. I samband med forskningen inom v¨axell˚adsf¨orluster ¨oppnades m¨ojligheter f¨or ett examensarbete d˚a en ny testrigg skulle konstrueras. Vicura AB, tidigare GM powertrain AB har tagit del av LTUs forskning

och kommer ¨aven vara med i ett samarbete och bist˚a med sina erfarenheter i detta examensarbete.

1.2

Syfte och m ˚al

F¨or att m¨ata verkningsgraden i en transmission ska en testrigg utvecklas och konstrueras. ¨

Oka f¨orst˚aelsen genom anv¨andande av denna testrigg f¨or vilka faktorer som har st¨orst inverkan p˚a verkningsgraden ur ett tribologiskt perspektiv. Den ska ocks˚a ge m¨ojlighet till att inspektera vad som sker i en v¨axell˚ada och dess kuggingrepp.

1.3

Metod

Genom att kartl¨agga befintliga m¨atutrustningar inom forskningsomr˚adet skapades en f¨orst˚aelse f¨or teorin bakom dessa. Under begynnelsefasen planerades ett bes¨ok in hos SAAB/Vicura i Trollh¨attan f¨or att f˚a en inblick i deras verksamhet och f¨or att h¨ora deras tankar om m¨atutrustningen och eventuella krav. D˚a problemomr˚aden var identifierade och f¨orst˚aelsen bakom m¨atutrustningarna var uppn˚adda uppr¨attades en kravspecifika-tion. I kravspecifikationen specificerades bland annat vilka moment som var av intresse, hur stor effekt elmotorn beh¨ovde leverera. Med k¨annedom om befintliga m¨atutrustningar och en uppr¨attad kravspecifikation p˚ab¨orjades konceptgenerering och utformande en grovlayout p˚a riggen som uppfyllde kravspecifikationen. F¨or att v¨alja koncept anv¨andes modelle f¨or att avg¨ora vilken som uppfyllde kravspecifikationen b¨ast genom att vik-ta de olika kraven mot varandra. Detvik-ta skedde tillsammans med handledargruppen samt personal fr˚an Vicura f¨or att vikta de olika kraven tillsammans. D˚a layouten p˚a m¨atutrustningen var best¨amd ˚aterstod konstruktion och dimensionering innan tillverkn-ing. CAD-modeller framst¨alldes f¨or att kunna anv¨anda till att best¨amma l¨ampliga di-mensioner p˚a riggen men ¨aven f¨or att anv¨anda som ritningsunderlag f¨or tillverkningen. Detaljerna som skulle tillverkas i material som ej fanns tillg¨anligt vid universitetet lades ut f¨or tillverkning hos Nova Industri AB i Kalix. ¨Ovriga mindre detaljer tillverkades i handverkstaden vid universitetet. Montering och testk¨orning av riggen skedde i Tribo-lab och de tester som utf¨ordes f¨or att dra slutsatser av hur riggen presterade sett till kravspecifikation och de uppsatta m˚alen. F¨or att bed¨oma prestandan hos riggen k¨ordes tomg˚angsprov, flera lastfall samt tv˚a olika oljor g¨allande viskositet k¨ordes f¨or att verifiera funktionen och prestandan hos testriggen.

K

APITEL

2

Teori

H¨ar f¨orklaras hur principen f¨or effektcirkulation fungerar, samt hur den tidigare riggen vid universitet var utformad. Det f¨orklaras ocks˚a hur den vanligast f¨orekommande typen av back-to-back testrigg, FZG, fungerar. F¨or att ge en f¨orst˚aelse f¨or vad som p˚averkar driftsf¨orh˚allanden i en v¨axell˚ada ˚aterfinns ¨aven viss teori i tribologi. N˚agra typer av f¨orluster f¨orklaras ocks˚a f¨or att beskriva de faktorer som ¨ar t¨ankta att unders¨okas med testriggen.

2.1

Effektcirkulation

Grundiden med effektcirkulation ¨ar att m¨ojligg¨ora en h¨ogre effekt¨overf¨oring i kugghjul i f¨orh˚allande till vad som tills¨atts. F¨ordelarna med detta ¨ar dels att kostnaderna h˚alls nere j¨amf¨ort med att tills¨atta all energi som exempelvis ett kuggingrepp uts¨atts f¨or, en annan f¨ordel ¨ar att f¨orlusten tills¨atts och blir d¨armed enkelt m¨atbar. Principen ˚ask˚adligg¨ors i figur 2.1.

Figur 2.1: Visar hur effekten cirkulerar i riggen.

Det finns ett flertal olika s¨att att konstruera en m¨atutrustning f¨or att m¨ata verknings-graden i ett kuggingrepp och n˚agra enklare modeller visas i figur 2.2. Observera att den ¨

oversta i figuren inte cirkulerar effekten utan energin bromsas bort. De tv˚a varianter av effektcirkulation som visas i figur 2.2 ¨ar en elektrisk (figur b) och en mekanisk (figur c). Med mekanisk ˚aterkoppling menas att det ena kugghjulet driver motsvarande kugghjul i paret som ¨ar fixerat i den andra axeln. N¨ar denna axel ocks˚a roterar driver den i sin tur motsvarande kugghjul p˚a den f¨orsta axeln, vilket g¨or att kretsen driver sig sj¨alv. Detta betyder att kretsen ¨ar i princip helt sj¨alvf¨ors¨orjande, s˚an¨ar som p˚a de f¨orluster som finns, det ¨ar enbart dessa som beh¨ovs kompenseras f¨or med den anslutna elmo-torn. Den elektriska ¨ar uppbyggd s˚a att utg˚aende axel ¨ar kopplad till en generator vilken matar tillbaka effekten in i eln¨atet. Genom detta s˚a reduceras den totala energikonsum-tionen m¨arkbart. Nackdelen med denna l¨osning ¨ar att b˚ade motor och generator blir stora eftersom de dimensioneras utifr˚an den maximala effekten vilken oftast ¨ar avsev¨art h¨ogre ¨

an den nominella. Effektcirkulationen som sker med mekanisk ˚aterkoppling har st¨orre f¨ordelar ¨an ¨ovriga varianter i figur 2.2:

- Betydligt reducerad installationskostnad. - Energif¨orbrukningen ¨ar avsev¨art l¨agre. - Underl¨attar best¨amningen av effektf¨orluster.

2.1. Effektcirkulation 5

FZG testrigg

FZG ¨ar ett tyskt forskningscentrum f¨or v¨axlar och transmissioner [3]. De ligger bakom en av de mest etablerade provutrustningar inom effektcirkulation, dess uppbyggnad visas i figur 2.3.

Figur 2.3: ¨Oversiktsbild ¨over FZGs rigg f¨or effektcirkulation.

Kugghjulen i de respektive v¨axell˚adorna ¨ar rakskurna, har samma kuggantal och d¨armed samma utv¨axling. L˚agvarvssidorna ¨ar anslutna via en mellanliggande vridmomentsm¨atare, och h¨ogvarvssidan ¨ar anslutna via en fl¨anskoppling som till˚ater de b˚ada axlarna att rotera relativt mot varandra. N¨ar testriggen inte k¨ors och fl¨ansbultarna ¨ar l¨osa s˚a kan en fl¨ans fixeras och det ¨onskv¨arda testmomentet kan l¨aggas p˚a den andra fl¨ansen i form av en h¨avarm med vikter. Vidare s˚a dras skruvarna ˚at, vilket f¨orhindrar en relativ r¨orelse mel-lan fl¨ansarna, och p˚a detta s¨att byggs momentet in i cirkulationen. Fl¨ansarna som m¨ater momentet roterar mot varandra i f¨orh˚allande till vridningen i den mellanliggande axeln, och d¨armed kan momentet utl¨asas. Den fl¨ans som tidigare fixerats kan nu frig¨oras och testriggen k¨oras.

Effekten som v¨axell˚adorna ¨overf¨or ¨ar lika med produkten av det tillf¨orda vridmomentet och vinkelhastigheten:

P = ω ∗ M (2.1)

P= effekt [Nm/s] ω = vinkelhastighet [rad/s]

FZG-riggen anv¨ands till att m¨ata f¨oljande: • Lastb¨arande f¨orm˚aga hos oljor och fetter • N¨otningsbeteende hos oljor och fetter

• Oljornas/fettets inverkan p˚a friktionskoefficient och verkningsgrad • Bildning av pitting och micropitting

Trots att denna typ av rigg ocks˚a finns p˚a universitet s˚a har den valts att inte anv¨andas f¨or denna typ av f¨orlustm¨atning. Anledningen till detta ¨ar att i denna rigg passar en-dast specialtillverkade kugghjul, vilka ¨ar dyra och d¨armed of¨ordelaktigt att ha i flera upps¨attningar. Vidare s˚a best˚ar denna typ av tv˚a separata hus, vilket g¨or det sv˚art att uppn˚a identiska driftsf¨orh˚allanden i b˚ada husen, n˚agot som m˚aste kunna antas f¨or att ber¨akna effektf¨orlusten.

Tidigare testrigg vid Lule ˚a tekniska universitet

Tidigare p˚a universitetet fanns en testrigg som anv¨andes f¨or att m¨ata f¨orluster i kug-gingrepp, denna har tyv¨arr plockats ner och delar har f¨orsvunnit allt eftersom. Hur den tidigare uppst¨allningen s˚ag ut visas i figur 2.4. Labkompendiet (se appendix A) har varit till stor nytta och f¨orklarar grunderna i en testrigg med effektcirkulation.

2.2. Tribologi 7

Denna rigg anv¨andes under laborationer f¨or att ge en uppfattning om verkningsgraden f¨or ett kuggingrepp med evolventprofil samt dess beroende av belastningen. Evolvent-profilen ¨ar den mest f¨orekommande i kuggv¨axlar d˚a den har stora f¨ordelar ur anv¨ andar-och tillverkningssynpunkt. Ett moment kan byggas in i denna testrigg genom att tv˚a snedkugghjul pressas samman via en axiell kraft. D˚a en axiell kraft appliceras p˚a ett snedkugg orsakar vinkeln p˚a kuggen en vridning och d¨armed ett moment.

Effektfl¨odet ˚ask˚adligg¨ors med ett Sankeydiagram enligt figur 2.5.

Figur 2.5: Sankeydiagram ¨over testriggen.

Med hj¨alp av att varvtalet och momentet p˚a ing˚aende axel m¨ats kan ing˚aende motor-effekt och d¨amed effektf¨orlusten ber¨aknas. Elmotorn ¨ar placerad bredvid riggen p˚a en brygga och momentet m¨ats genom en t¨ojningsgivare som ¨ar placerad under bryggans ena sida. Den andra sidan av bryggan st˚ar p˚a en egg, anledningen till detta ¨ar att eggen ej tar upp n˚agot moment. Effekten som elmotorn levererar in till kretsen best˚ar av tv˚a typer av f¨orluster. Dels tomg˚angsf¨orluster, det vill s¨aga f¨orluster som kan betraktas som konstant oavsett last, samt f¨orluster som som varierar med p˚alagd last. F¨or ytterligare information ang˚aende teorin och uppst¨allningen bakom denna testrigg se appendix A. F¨orklaring av de olika f¨orlusterna ˚aterfinns i kapitel 2.2.

2.2

Tribologi

“L¨aran om samverkande ytor i relativ r¨orelse, inklusive sm¨orjning, n¨otning och friktion.“ -Detta ¨ar definitionen f¨or tribologi vilket kommer fr˚an grekiskans tribo som betyder gnida. Alla ytor oavsett applikation uts¨atts mer eller mindre f¨or tribologiska faktorer. Sm¨orjning, n¨otning och friktion f¨orekommer samtliga inom transmissioner och ¨ar s˚aledes av stor vikt d˚a dessa har stor inverkan p˚a slitage, effektivitet och kostnad. Det tribologiska omr˚adet ¨

fenomenen i transmissioner. Anton van Beek [4] beskriver dessa fenomen grundligt i sin bok Advanced engineering and design - Lifetime performance and reliability d¨ar all information i detta kapitel h¨amtats.

Sm ¨

orjning

Sm¨orjningen brukar delas in i tre olika regimer, vilka ˚ask˚adligg¨ors i den s.k. Stribeck-kurvan, se figur 2.6. L¨angst till v¨anster finns det som kallas f¨or gr¨ansskiktsm¨orjning, vilket inneb¨ar att kraften till st¨orsta del ¨overf¨ors via smord mekanisk kontakt. Detta medf¨or ett h¨ogt slitage p˚a komponenterna och h¨ogre friktion gentemot ¨ovriga sm¨orjningsregimer vilket leder till att verkningsgraden sjunker i kuggingreppet. Den mittersta delen av Stribeck-kurvan representerar blandskiktsm¨orjning, vilket inneb¨ar att kraften ¨overf¨ors via mekaniskt och hydrodynamiskt tryck. Den regim l¨angst till h¨oger kallas f¨or full-filmsm¨orjning och d¨ar ¨overf¨ors all kraft via elasto-/ hydrodynamiskt tryck. Detta tryck uppkommer genom den kilform som bildas mellan de m¨otande ytorna vid en relativ rull-eller glidr¨orelse. Detta kan ocks˚a uppst˚a i mikroskala mellan sm˚a oj¨amnheter i ytor, vilket g¨or att fullfilmss¨orjning kan uppst˚a i situationer d¨ar vanligtvis gr¨ansskiktsm¨orjning ¨ar f¨orv¨antat. Fullfilmsm¨orjning ¨ar i de flesta fall den ¨onskade regimen, eftersom b˚ade friktion och n¨otning minimeras vid detta tillst˚and.

Figur 2.6: Stribeck-kurvan.

Sammans¨attningen av en olja best˚ar av en basolja tillsammans med olika typer av addi-tiv, d¨ar basoljan har st¨orst betydelse f¨or fullfilmssm¨orjningen medan additiven p˚averkar mest i gr¨ans- och blandskiktsm¨orjningen. De olika additiven som anv¨ands vid gr¨ans- och

2.2. Tribologi 9

blandsm¨orjning ¨ar:

• Anti-wear, vilka best˚ar av svavel och fosfor som bildar ett skyddande lager p˚a metallytan genom adsorption (vidh¨aftning) eller en mild kemisk reaktion.

• Extreme Pressure, vilka ocks˚a brukar kallas “anti-seizure“ eller “anti-scuffing“ best˚ar ocks˚a av svavel och fosfor och bildar ocks˚a h¨ar ett skyddande lager p˚a metallytan, dock genom en kemisk reaktion med ytan. EP-additiven har till uppgift att ¨oka motst˚andskraften f¨or n¨ar sk¨arning eller mikrosvetsning uppst˚ar p˚a ytorna. Denna typ av additiv anv¨ands i applikationer med h¨og last eller applikationer som uts¨atts f¨or dynamiska laster s˚asom v¨axell˚ador, turbiner eller rullager.

• Friction modifiers, vilka best˚ar av t.ex. fettsyror, ester och molybden. Skillnaden mot Anti-wear ¨ar att det lager som bildas p˚a ytan kan med l¨atthet skjuvas och d¨armed minskar friktionen.

F¨or att f¨orb¨attra egenskaperna i fullfilmssm¨orjningen tills¨atts n˚agot som kallas f¨or VI-additiv vilka best˚ar av polymerer. VI-additivens uppgift ¨ar att f¨orb¨attra oljans viskositetsin-dex, vilken ¨ar ett m˚att p˚a hur mycket oljans viksositet ¨andras vid en temperatur¨andring. Ett h¨ogt VI-v¨arde indikerar p˚a en liten viskositetsf¨or¨andring, samtidigt som det bidrar till l¨agre visk¨osa friktionsf¨orluster vid kall olja, exempelvis vid kallstart av bil. Detta ¨ar en ¨onskv¨ard egenskap, b˚ade f¨or att kunna h˚alla en n˚agorlunda l˚ag viskositet vid kyla, men ¨aven se till s˚a att oljans viskositet inte blir f¨or l˚ag vid h¨oga driftstemperaturer.

N ¨

otning

N¨otning ¨ar ocks˚a n˚agot som beh¨ovs tas i beaktning vid konstruktion av v¨axell˚ador, h¨og n¨otning p˚averkar livsl¨angden p˚a detaljerna avsev¨art, och kan ¨aven i vissa fall leda till kostsamma haverier. N˚agra olika typer ¨ar adhesiv, abrasiv och utmattning.

Adhesiv n ¨otning

Detta ¨ar n˚agot som uppst˚ar n¨ar starka adhesiva bindningar uppst˚ar mellan interagerande oj¨amnheter och orsakar mikrosvetsning. Vid kontinuerlig r¨orelse s˚a kan detta resultera i att material f¨orflyttas fr˚an en yta till en annan och detta kan antingen vara permanent eller tillf¨allig. Den tillf¨alliga n¨otningen ger ofta upphov till l¨osa partiklar. Adhesiv n¨otning ¨

ar allvarligt och orsakar ofta stillest˚and hos maskiner. Ytan skadas sv˚art s˚a att h¨og friktion uppst˚ar och d¨armed ocks˚a h¨og v¨arme. Adhesiv n¨otning kan ocks˚a delas in i undergrupper:

• Scuffing. Detta ¨ar n˚agot som ofta uppst˚ar i smorda, glidande komponenter s˚asom kugghjul och kamaxlar. En kort transient ¨overlast kan leda till scuffing vilket i sin tur kan leda till haveri. Scuffing uppst˚ar vid kritiska kontakttemperaturer vilket

leder till att oljefilmen bryts ner och mikrosvetsning uppst˚ar mellan oj¨amnheterna i ytorna. Detta fenomen kan delvis motverkas genom att anv¨anda EP-additiv i oljan.

• Kallsvetsning eller nypning. Om de b˚ada ytorna ¨ar kompatibla metaller med rena och sl¨ata ytor som gnuggas mot varandra med en tillr¨acklig kraft s˚a kan det resultera i att de binds samman. Dessa bindningar kan bli lika starka som den ursprungliga metallen.

• Galling. Galling ¨ar j¨amf¨orbart med kallsvetsning men ¨ar oftast ett resultat av f¨ororeningar som orsakar att ytorna delvis f¨aster ihop. ¨Ar oftast associerat med l˚aga hastigheter och kan f¨orst¨ora ytorna i en v¨anda.

Abrasiv n ¨otning

Det finns tv˚a olika typer av abrasiv n¨otning, tv˚a- eller trekroppsn¨otning. Tv˚akroppsn¨otning sker n¨ar en h˚ardare yta med oj¨amnheter plogar i en mjukare yta, exempelvis vid slipning av tr¨a, metall osv. Med trekroppsn¨otning menas att det finns h˚arda partiklar mellan ytor-na. Dessa partiklar plogar i ˚atminstone en av ytorna. Exempel p˚a detta ¨ar anv¨andning av slipmedel och sand/grus i rulllager.

Utmattning

Utmattning ¨ar den vanligaste typen av n¨otning n¨ar det g¨aller rullkontakter, och fr¨amst i rullkontakter med glidning. Genom att ytorna i ett kuggingrepp glider i f¨orh˚allande till varandra uts¨atts de f¨or n¨otning. B˚ade topp och dal p˚a kuggen uts¨atts f¨or glidning relativt varandra, dock s˚a finns en punkt, rullpunkten, d¨ar den relativa r¨orelsen ¨ar noll. Och eftersom kuggen har en bredd s˚a skapas en linje l¨angsefter kuggflanken d¨ar n¨otning aldrig uppst˚ar och en kant bildas. Utmattning uppst˚ar efter ett stort antal kontaktcykler och n¨ar partiklar lossnar fr˚an den glidande ytan (detta ¨ar vanligt i kamaxlar, rulllager och kugghjul). Det som h¨ander ¨ar att sprickbildning uppst˚ar en bit ner i materialet d¨ar den h¨ogsta skjuvsp¨anningen uppst˚ar. Under upprepad last v¨axer dessa sprickor, vilket slutligen leder till att bitar av material sl¨apper fr˚an ytorna.

2.3

V ¨axell ˚adsf ¨

orluster

Detta kapitel behandlar teorin bakom de olika f¨orlusterna som uppkommer i v¨axell˚ador, vilka ¨ar tillt¨ankta att m¨atas i testutrustningen. De olika f¨orlusterna kan delas in i moment-samt momentoberoende f¨orluster, vilka kan s¨arskiljas via att momentbelasta riggen. I figur 2.7 ˚ask˚adligg¨ors f¨orlusterna tydligt i ett fl¨odesschema.

2.3. V¨axell˚adsf¨orluster 11

Figur 2.7: Fl¨odesschema ¨over f¨orluster.

Skvalpf ¨

orluster

Skvalpf¨orlusterna uppkommer n¨ar kugghjulen flyttar runt oljan inne i huset och fr¨amst d˚a f¨orlusterna som beror av inkapslandet av oljan i kuggingreppet. Faktorer som p˚averkar dessa faktorer ¨ar oljeviskositet, periferihastighet, anv¨andningstemperatur, modul, tand-vinkel samt neds¨ankningsdjupet p˚a kugghjulen. Det sistn¨amnda inneb¨ar att alla kompo-nenter i kontakt med oljan bidrar till f¨orlusterna, djupare neds¨ankning ger st¨orre f¨orluster. En ¨okad snedst¨allning av kuggarna s¨anker f¨orlusterna d˚a detta ger att kugghjulet sk¨ar genom oljan ist¨allet f¨or att skyffla runt den. [5]

Luftmotst ˚and

N¨ar ett kugghjul roterar slungas oljedroppar bort fr˚an kuggarna p˚a grund av centrifu-galkraften som p˚averkar oljan, och dessa droppar bildar d¨arp˚a en fin oljedimma inne i v¨axell˚adshuset. Och konsekvensen av denna oljedimma bidrar till ¨okade f¨orluster i form av luftmotst˚and, och d¨armed en l¨agre verkningsgrad. N¨ar sedan oljedimman drivs ut fr˚an mellanrummen n¨ar kuggarna kommer i kontakt med varandra s˚a skapas en turbu-lens, som i sin tur bidrar till ytterligare effektf¨orluster. Dessa f¨orluster, i kombination med f¨orlusterna som uppkommer p˚a sidorna av kugghjulen, bidrar till luftmotst˚and. En faktor som p˚averkar storleken p˚a luftmotst˚andet ¨ar rotationshastigheten, eftersom en ¨okad per-iferihastighet leder till ¨okade f¨orluster. Andra p˚averkande faktorer ¨ar ocks˚a kuggmodul, m¨angden oljedimma i huset samt diametern p˚a kugghjulen.

Lager- och T ¨atningsf ¨

orluster

F¨or att axlarna i v¨axell˚adan ska rotera sitter koniska rullager i axlarnas ¨andar och i v¨axell˚adshusets genomf¨oringar sitter t¨atningar mellan huset och axlarna. Dessa tv˚a kom-ponenter m˚aste tas i beaktning som f¨orluster i v¨axell˚adan och p˚averkas inte av lasten. F¨orluster i t¨atningar och lager anses som konstant och kan best¨ammas teoretiskt med god noggrannhet f¨or olika typer av lager och t¨atningar.

Glid- och Rullfriktion

I ett kuggingrepp f¨orekommer i huvudsak tv˚a olika typer av friktion, glidfriktion och rull-friktion. Glidfriktion finns delvis beskrivet under det tidigare delkapitlet som behandlar utmattning och f¨orekommer f¨ore och efter rullpunkten i kuggingreppet. Den andra typen av friktion ¨ar rullfriktion och f¨orekommer mellan tv˚a ytor d¨ar den ena ytan rullar relativt den andra, detta sker i huvudsak mitt mellan topp och dal i kuggingreppet. I kuggin-greppet ¨ar fullfilmssm¨orjning ¨onskv¨art f¨or att minimera dessa friktionsf¨orluster.

K

APITEL

3

Metod

Under f¨oljande kapitel beskrivs den arbetsg˚ang som har anv¨ants under projektets g˚ang, vilka metoder som anv¨ants, hur de har anv¨ants samt vad de mynnat ut i.

3.1

Konceptgenerering

I det f¨orsta stadiet av konceptgenereringen lades fokus p˚a att komma fram till olika koncept f¨or respektive funktion, dvs. koncept f¨or momentinsp¨anning gjordes separat, och samma sak f¨or justering av axelavst˚and. Som utg˚angspunkt f¨or detta steg anv¨andes bland annat de olika typer av riggar sammanfattade av Athanassios och Ioannis i ett urdrag ur Recent patents on mechanical engineering[1] som inspiration. F¨or vissa koncept har ¨aven inspiration h¨amtats fr˚an andra grenar av industrin, s˚asom vajerstr¨ackare, skotervariatorer samt vevaxeln i f¨orbr¨anningsmotorer (excenter).

Detta gjordes helt utan restriktioner f¨or att f¨ors¨oka komma p˚a innovativa l¨osningar med tillfredsst¨allande funktion. Efter detta s˚a utf¨ordes en grovs˚allning av koncepten genom att markera de olika koncepten med f¨ordelar, nackdelar samt kommentarer. Exempel p˚a kommentarer kunde vara vilka ber¨akningar som var tvungna att utf¨oras f¨or att ens kunna klassa konceptet som rimligt, vilka detaljer som var os¨akra och beh¨ovde ses ¨over en runda till f¨or att konceptet skulle vara intressant. Under diskussionerna g¨allande konceptens f¨ or-och nackdelar framkom m˚anga bra vidareutvecklingar av grundprinciperna som togs med i n¨asta steg och skapades f¨ardiga koncept av.

3.2

F ¨

orklaring av koncept

H¨ar f¨orklaras de olika koncepten som g˚att vidare fr˚an f¨orsta rankingen innan de rankas i n¨asta avsnitt. Eventuella os¨akerheter i detaljkonstruktion fr˚an f¨oreg˚aende steg har h¨ar justerats i den m˚an det ¨ar m¨ojligt, f¨or att antingen kunna g˚a vidare eller avf¨arda konceptet helt.

Momentinsp ¨anning

De olika konceptens basfunktion f¨orklaras h¨ar, dock har ej fokus lagts p˚a detaljl¨osningar vid detta stadium vilket g¨or att vissa koncept endast beskrivs i stora drag. Det var ej heller klart om alla dessa var helt genomf¨orbara heller, vid detta steg utf¨ordes inga s˚adana ber¨akningar.

Snedsplines:

Tanken h¨ar ¨ar att dela ena axeln p˚a mitten d¨ar en halva f¨orses med snedsplines och den andra halvan med raksplines. En hylsa med motsvarande inv¨andiga splines h˚aller sedan ihop axelhalvorna. Genom att sedan skjuta hylsan axiellt l¨angs den raksplinesade delen leder detta till en radiell f¨orskjutning hos axelhalvan med snedsplines vilket ger en radiell f¨orskjutning av kugghjulet.

Figur 3.1: Tidig skiss ¨over snedsplines.

Klokoppling:

Likheterna med ovanst˚aende ¨ar att axeln h¨ar ocks˚a ¨ar delad p˚a mitten med en klokop-pling som h˚aller ihop axelhalvorna. Id´en bygger p˚a att ena halvan av kopplingen ¨ar fast medan andra halvan ¨ar belastad med en tryckfj¨ader. Utformingen av sj¨alva klorna ¨ar ej fastslagen, tanken ¨ar att de ska vara fria i en rotationsriktning och l˚asta i den andra.

3.2. F¨orklaring av koncept 15

Stoppskruv:

Ett av kugghjulen sitter l¨ost monterad i axeln i f¨orh˚allande till det andra, och i det-ta kugghjul ¨ar ¨aven moth˚all/stoppskruvar f¨asta p˚a yttersidan och radiellt justerbara. Motsvarande skiva med skruvar/moth˚all f¨asts sedan stumt p˚a axeln d¨ar det andra kug-ghjulet sitter stumt monterat. N¨ar sedan stoppskruvarna skruvas ut mot moth˚allen s˚a vrids det l¨ost monterade kugghjulet radiellt i f¨orh˚allande till det fast monterade kug-ghjulet och skapar d¨armed ett vridmoment.

Figur 3.3: Principen med stoppskruv.

Tilta hus:

Denna princip bygger p˚a att riggen best˚ar av tv˚a separata hus (motsvarande FZG), och p˚a mellanliggande axlar sitter ledade knutar monterade f¨or att kunna klara av en vinkel¨andring. N¨ar ena huset tiltas runt sin egen axel s˚a rubbas momentj¨amvikten i kuggparet och d¨armed skapas ett inbyggt vridmoment.

Figur 3.4: Vinkel¨anding av ena kuggparet.

Vantskruv:

Samma princip som en vajerstr¨ackare, d¨ar den delade axeln ¨ar g¨angad i varsin ¨ande, dock ¨

ar ena sidan v¨ansterg¨angad och den andra ¨ar h¨ogerg¨angad. Dessa ¨ar sedan sammanh˚allna via en bred mutter, som ocks˚a har inv¨andig h¨oger- respektive v¨ansterg¨ang, och n¨ar sedan denna mutter skruvas s˚a flyttas de b˚ada axlarna axiellt ˚at varsitt h˚all. Denna axiella r¨orelse ger sedan upphov till ett moment.

Figur 3.5: Momentinsp¨anning via axialkraft.

Helixhylsa: ¨

Aven h¨ar ¨ar axlarna delade och h˚alls samman via en hylsa som ¨ar fastmonterad, dock roterbar, p˚a den ena axeln. I hylsan finns ett snedsp˚ar med fickor, och p˚a andra axelhalvan finns ett stift som l¨oper i detta sp˚ar. Mellan axlarna finns ¨aven en tryckfj¨ader som trycker den l¨osa axeln ut˚at n¨ar den l¨oper i sp˚aret, men tack vare fj¨adern och fickorna i sp˚aret s˚a trycks l˚asstiftet in i dessa fickor och axeln l˚ases f¨or ytterligare axiell f¨orflyttning.

Figur 3.6: Helixhylsa.

Radiell l˚asning:

Axeln ¨ar dellad och sammankopplad med kopplingen i figur 3.7. Kopplingen har fyra radiellt placerade skruvar med 90 grader mellan varje, vid ˚atrdragning av f¨orbandet ¨

overf¨ors moment. Momentinsp¨anningen g˚ar till s˚a att l˚asskruvarna frig¨ors, ena axeln roteras via FZG-metoden (vikter och h¨avarm) och sedan l˚ases i ¨onskad position med de radiella l˚asskruvarna.

3.2. F¨orklaring av koncept 17

Figur 3.7: Radiell l˚asning.

Splineshylsa med lager:

Detta ¨ar en princip liknande hylsan med snedsplines, dock med undantaget att splinesen ¨

ar helt rak i hylsan. F¨or att kunna ge de delade axlarna st¨od s˚a ¨ar ett kullager f¨ast mellan axelhalvorna. N¨ar sedan momentet skall sp¨annas in s˚a dras hylsan axiellt s˚a ena axeln fril¨aggs och sedan vrids axeln med ¨onskv¨art moment. Hylsan skjuts sedan tillbaka och l˚aser ihop axelhalvorna.

Figur 3.8: Splineshylsa med lager.

Axeljustering

Samma h¨ar g¨aller som vid ovanst˚aende kapitel, endast den tillt¨ankta grundfunktionen redovisas utan st¨orre detaljl¨osningar.

Fasta lagerl¨agen:

Med fasta lagerl¨agen avses h¨adanefter att ett antal lagerpositioner har tillverkats i gavlar-na p˚a huset, d¨ar sidorna ¨ar delade l¨angsefter och tj¨anstg¨or d¨armed som ¨overfall f¨or lagren. I exemplet har tre lagerl¨agen ritats in, vilket skulle kunna m¨ojligg¨ora f¨or tv˚a avst˚and, med tanken att ena axelns lager skall ha samma position, och den andra axeln skall kunna

f¨orflyttas mellan de tv˚a andra lagerl¨agena och d¨armed ¨andra axelavst˚and.

Figur 3.9: Fasta lagerl¨agen.

Justerbar bottenplatta:

H¨ar ¨ar ena axeln fastmonterad i bottenplattan, och den andra axeln ¨ar sedan mon-terad i skenor i bottenplattan, axeln kan sedan skjutas i sp˚aren och d¨armed justera axelavst˚andet.

Figur 3.10: Justerbar bottenplatta.

Fasta l¨agen i bottenplatta:

En vidareutveckling av ovanst˚aende koncept med skillnaden att skenorna ¨ar ersatta med ett antal styrh˚al som ¨ar borrade i bottenplattan. Under foten p˚a axelh˚allaren sitter ett antal styrpinnar f¨or att linjera upp axelh˚allaren mot bottenplattan. Dessa styrh˚al och styrpinnar ¨ar borrade utifr˚an ett antal f¨orutbest¨amda axelavst˚and med h¨og precision f¨or att undvika glapp.

Excenter:

I respektive gavel sitter en lagrad skiva, som i sin tur har lager d¨ar axeln monteras. P˚a samma skiva s˚a finns ¨aven ett annat h˚al f¨or axelmontering, men med skillnaden att det radiella m˚attet fr˚an lagercentrum skiljer sig fr˚an den andra lagerinf¨astningen. N¨ar sedan l˚assprinten frig¨ors kan skivan roteras 180 grader (i detta exempel, b¨or kunna rymmas fler axelavst˚and beroende p˚a storlek p˚a skivan, axelavst˚and osv.), l˚assprinten styrs sedan i h˚alet och skivan ¨ar d¨armed fixerad och ett nytt axelavst˚and har d¨armed uppn˚atts.

3.3. Konceptutv¨ardering 19

Figur 3.11: Excenter.

Utbytbar gavel:

Detta bygger p˚a att sidogavlarna som inneh˚aller axelh˚alen helt sonika ¨ar tillverkade/monterade s˚a att de g˚ar att byta ut om annat axelavst˚and vill anv¨andas.

Figur 3.12: Utbytbar gavel.

3.3

Konceptutv ¨ardering

Efter detta gallrades sedan ett antal koncept bort pga. orimlighet, os¨akerhet eller av andra anledningar som gjorde dessa ej l¨ampliga att g˚a vidare med. I detta l¨age valdes de kvarvarande koncepten att namnges, vilket helt sonika gjordes s˚a att de koncept som syftade p˚a axeljustering numrerades 1- 5, samt koncepten som ber¨orde momentinsp¨anning namngavs A-H. Komplett f¨orteckning ses i Tabell 3.1.

Tabell 3.1: Teckenf¨orklaring

Fasta lagerl¨agen 1 Justerbar bottenplatta 2 Fasta l¨agen i bottenplatta 3

Excenter 4 Utbytbar gavel 5 Snedsplines A Klokoppling B Stoppskruv C Tilta hus D Vantskruv E Helixhylsa F Splinehylsa lagrad G Radiell l˚asning H

F¨or att f˚a en b¨attre ¨overblick vilka typer av momentinsp¨anningar som var kompatibla med vilken typ av axeljustering s˚a st¨alldes alla koncept upp i en kompabilitetsmatris, med momentinsp¨anning lodr¨att och axeljustering v˚agr¨att, se figur 3.13

Figur 3.13: Kompabilitetsmatris

Utifr˚an denna matris gavs d¨armed 36 ¨onskv¨arda kombinationer, vilket inte var rimligt att st¨alla upp i en utv¨arderingsmatris f¨or att vikta dessa. Efter diskussioner med

han-3.3. Konceptutv¨ardering 21

dledargruppen kunde vissa koncept elimineras.

Koncept A: Intressant och enkel id´e, dock r˚adde os¨akerhet g¨allande tillverkningen av sneda splines, vilket antogs vara en komplex och tidskr¨avande metod.

Koncept B: En uppskattning gjordes att det b¨or handla om sm˚a vinkel¨andringar vid axelvridningarna, vilket i princip gjorde det om¨ojligt att anv¨anda detta koncept d˚a axlar-na ¨ar b˚ade smidda och h¨ardade, och d¨armed v¨aldigt styva. Samma g¨aller per automatik ¨

aven f¨or Koncept G, samt Koncept F.

Koncept D: Denna princip kr¨avde mer eller mindre tv˚a separata hus, vilket inte var ¨

onskv¨art, eftersom det skulle medf¨ora nackdelar s˚asom att det i ett s˚adant fall ¨ar sv˚art att uppn˚a exakt samma driftsf¨orh˚allanden i b˚ada husen.

Koncept 2: En id´e med pontential bli exakt och justeringsv¨anlig, dock fanns fr˚agetecken ang˚aende t¨atningsm¨ojligheter. Konceptet hade heller inga f¨ordelar j¨amf¨ort med Koncept 3:, d¨arav s˚allades detta koncept ocks˚a bort. D¨arefter delades de kvarvarande koncepten upp i momentinsp¨anning respektive axeljustering, separata matriser uppr¨attades ocks˚a f¨or att bed¨oma koncepten individuellt.

Momentinsp ¨anning

Det f¨orsta som gjordes var att de olika betygskriterierna fastslogs, b˚ade inneh˚all samt viktad po¨ang. H¨ar f¨oljer de olika kriterierna med en f¨orklaring ¨over vad som v¨agts in i kriterierna.

Justering, Vikt:20

Hur justeringen av momentet skulle utf¨oras och hur m˚anga detaljer som beh¨ovdes justeras f¨or att uppn˚a det tillt¨ankta momentet. Eftersom justering av momentet ¨ar av intresse s˚a b¨or sj¨alva justeringen vara s˚a enkel som m¨ojligt. H¨ar har ocks˚a en bed¨omning gjorts utifr˚an hur enkelt det ¨ar att kunna ber¨akna/l¨asa ut vilket moment som sp¨ants in.

Repeterbarhet, Vikt:25

Detta kriterium innefattar precisionen p˚a insp¨anningen, dvs. hur stora m¨ojligheterna ¨ar att kunna lyckas hitta tillbaks till samma moment som vid tidigare drift. Detta ¨ar det viktigaste kravet att uppfylla f¨or att kunna g¨ora s˚a korrekta tester som m¨ojligt.

Kostnad, Vikt:15

H¨ar gjordes en v¨agning av antal detaljer, komplexitet p˚a dessa och tillverkning av kon-ceptet. ¨An om den slutgiltiga bearbetningskostnaden ej var k¨and i detta stadium, s˚a gjordes en grov uppskattning utifr˚an konceptets antal detaljer som skulle kr¨ava bearbet-ning samt sv˚arighetsgrad p˚a dessa.

Tillverkning, Vikt:10

Finns med i ovanst˚aende punkt, anledningen till ett eget kriterium f¨or denna post var f¨or att kunna se ifall n˚agot koncept skulle vara v¨aldigt sv˚art/om¨ojligt att tillverka inom rimlig tid. Tillverkningen fick d¨arf¨or en l˚ag vikt, dels f¨or att den ˚aterkom i kostnadskriteriet, men ¨aven eftersom det ej handlade om serieproduktion, s˚a d¨arf¨or kunde en sv˚ar/dyr

tillverkning spela mindre roll. Konstruktion, Vikt: 20

H¨ar bed¨omdes det allm¨anna intrycket av sj¨alva momentinsp¨anningen utifr˚an antal delar och robustheten hos detta. Hur stora m¨ojligheten konceptet hade att kunna beh˚alla det insp¨anda momentet under k¨orning, dvs. ej p˚averkas av drifts¨andringar s˚asom h¨ojt varvtal o dyl. Anledningen att detta ¨ar ett separat kriterium beror p˚a att det torde vara m¨ojligt att konstruera en insp¨anning som ¨ar b˚ade enkel och repeterbar, men ostabill. Ett v¨aldigt viktigt kriterium, ˚aterigen f¨or att kunna f˚a trov¨ardiga testresultat.

Linjerat kuggingrepp, Vikt:10

Vid en axiell justering f¨orflyttas kontaktytorna mellan kuggingreppen ocks˚a. Detta ¨ar dock inte ¨onskv¨art eftersom det ej ger en r¨attvis bild av n¨otning, och effektf¨orlusten b¨or bli mindre ¨an reellt, eftersom kontaktytorna blir mindre ¨an i verkligheten. Betyget sattes utifr˚an den prelimin¨ara konstruktionen, vilket g¨or att det kunde vart m¨ojligt att designa bort, varf¨or det inte getts h¨ogre vikt.

Varje koncept po¨angbed¨omdes fr˚an 1-5 p˚a varje kriterium, och multiplicerades med vikten f¨or varje kriterium. Resultatet ˚aterfinns i figur 3.14.

Figur 3.14: Ranking av momentinsp¨anning.

Axeljustering

Precis som med koncepten f¨or momentinsp¨anning s˚a sattes olika kriterier upp och fick en vikt.

Enkel justering, Vikt:15

Hur justeringen av axelavst˚andet skulle utf¨oras, samt hur m˚anga detaljer som beh¨ovdes justeras f¨or att uppn˚a det tillt¨ankta avst˚andet. F¨or axeljustering s˚a har detta f˚att en n˚agot

3.3. Konceptutv¨ardering 23

l¨agre vikt ¨an f¨or momentinsp¨anningen, av den anledningen att justering av axelavst˚and ¨

ar ej lika frekvent f¨orekommande, vilket g¨or att detta inte ¨ar en lika viktig punkt. H¨og precision, Vikt:25

H¨ar bed¨omdes hur h¨og precisionen hos sj¨alva justeringsanordningen, sett utifr˚an den bed¨omda exaktheten hos koncepten, men ¨aven repeterbarheten p˚a sj¨alva justeringen. Detta ¨ar det viktigaste kriteriet f¨or att kunna f˚a en h¨og tillf¨orlitlighet.

Stadig konstruktion, Vikt: 25

H¨ar bed¨omdes det allm¨anna intrycket av justeringsmekanismen utifr˚an antal delar och robustheten hos dessa. ¨Ar ocks˚a v¨aldigt viktigt kriterium, ˚aterigen f¨or att kunna f˚a trov¨ardiga testresultat

Kostnad, Vikt:15

H¨ar gjordes en v¨agning av antal detaljer, komplexitet p˚a dessa och tillverkning av kon-ceptet. ¨An om den slutgiltiga bearbetningskostnaden ej var k¨and i detta stadium, s˚a gjordes en grov uppskattning utifr˚an konceptets antal detaljer som kr¨aver bearbetning samt sv˚arighetsgrad p˚a dessa.

Tillverkning, Vikt:10

Finns med i ovanst˚aende punkt, anledningen till ett eget kriterium f¨or denna post var f¨or att kunna se ifall n˚agot koncept skulle vara v¨aldigt sv˚art/om¨ojligt att tillverka inom rimlig tid. Tillverkningen fick d¨arf¨or en l˚ag vikt, dels f¨or att den ˚aterkom i kostnadskriteriet, men ¨aven eftersom det ej handlade om serieproduktion, s˚a d¨arf¨or kunde en sv˚ar/dyr tillverkning spela mindre roll.

Framtida m¨ojligheter, Vikt:10

H¨ar gjordes en bed¨omning ¨over framtidsm¨ojligheterna, dvs. hur stora f¨or¨andringar som skulle kr¨avas i grundkonstruktionen vid en framtida ¨andring av axelavst˚and (bortsett fr˚an de tv˚a givna f¨or F40-axlarna).

¨

Aven h¨ar multiplicerades vikten med betyget f¨or konceptet. Matrisen f¨or axeljustering kan ses i figur 3.15.

Figur 3.15: Ranking av axelavst˚andjustering.

Efter att resultatet f¨or momentinsp¨aningen redovisats och diskuterats med handledar-na s˚a framkom att det b¨ast rankade konceptet ej k¨andes helt tillfredsst¨allande vad g¨allde kriterierna f¨or stabilitet. I samr˚ad med handledare togs d¨arf¨or beslutet att f¨ors¨oka hit-ta en befintlig koppling, men modifera denna s˚a att den gick att kombinera ihop med befintliga axlar. Efter detta unders¨oktes befintliga kopplingar, vilket resulterade i ett val av axelkoppling.

3.4

Konceptval

Valet av momentinsp¨anning f¨oll p˚a en konisk axelkoppling, dels f¨or dess enkelhet men fr¨amst f¨or dess f¨orm˚aga att kunna ¨overf¨ora stora vridmoment trots ringa dimensioner. Eftersom dessa kopplingar endast finns i vissa dimensioner s˚a resulterade detta i att en adapter med l¨ampliga dimensioner konstruerades f¨or axlarna. Som axeljustering valdes en vidareutveckling av konceptet med utbytbara gavlar d¨ar tanken var att ett f¨onster skulle l¨amnas i gaveln. En platta med lagerh˚al tillverkas och monteras i detta f¨onster med h¨alp av styrpinnar. Med en s˚adan l¨osning s˚a skulle axelavst˚andet i viss m˚an kunna justeras genom att tillverka en ny platta som passar i gaveln som ger ett annat axelavst˚and. En annan f¨ordel med att ha en utbyggnad av gaveln skulle eliminera problemet med den axiella f¨orskjutningen p˚a ca 83mm som finns mellan lagerl¨agena p˚a respektive axel.

K

APITEL

4

Utveckling & Konstruktion av

testrigg

Efter konceptutv¨ardering och konceptval f¨or momentinsp¨anning s˚a utf¨ordes detaljdesign av dessa. ¨Ovriga detaljer designades i detta stadium f¨or att senare kunna bygga upp riggen.

4.1

Chassi

F¨or att kunna best¨amma r¨att dimensioner p˚a chassit s˚a gjordes f¨orst utr¨akningar utifr˚an axelavst˚andet mellan de b˚ada axlarna, samt hur l˚anga de respektive axlarna skulle bli. D¨arefter gjordes CAD-modeller p˚a samtliga detaljer i CAD-programmet NX7.5, varp˚a dessa sattes samman till en sammanst¨allning, se figur 4.1 f¨or resultatet.

Figur 4.1: Figuren visar en sidovy ¨over den f¨ardigasammanst¨allningen.

Detta gjordes f¨or att f˚a en bild ¨over de tillt¨anka dimensionerna p˚a riggen och se s˚a att inga delar skulle ta i varandra. Ett exempel p˚a detta finns i figur 4.2 som visar hur ett snitt lagts i sammanst¨allningen f¨or att kontrollera frig˚angen i riggen.

Figur 4.2: Figuren visar det snitt som lagts i NX f¨or att kontrollera positioneringen p˚a axlarna.

Gavlar

Konceptvalet resulterade i att gavlarna skulle tillverkas med ett rektangul¨art h˚al f¨or att kunna ge vissa m¨ojligheter till justering. Det framkom vid diskussioner med centralverk-stan att tillverkningen skulle kunna f¨orenklas ifall h˚alet tillverkades cirkul¨art ist¨allet. Ett s˚adant val medf¨orde dock att m¨ojligheterna till ovan n¨amnda justering skulle g˚a om intet. D˚a inte n˚agot st¨orre behov av detta fanns vid tidpunkten s˚a prioriterades tillverkningen ist¨allet. M¨ojligheten finns fortfarande att byta axelavst˚and med detta ¨ar endast m¨ojligt genom nytillverkning av de korta gavlarna d¨ar lagerl¨agena finns. F¨or att s¨akerst¨alla att utg˚aende axel ej skulle glappa samt att axelavst˚andet skulle h˚allas inom den givna toler-ansen s˚a valdes lagerlocket att styras upp i gaveln med hj¨alp av tolerans. H˚altoleransen r¨aknades fram genom att toleransen f¨or axelavst˚andet var given fr˚an GM till maximalt ± 0.15mm. Toleransen mellan h˚alen i gaveln sattes tilll 0.1 mm och toleransen f¨or h˚alet till lagerlocket sattes fr˚an 0 till -0.05mm p˚a axel och 0 ± 0.05mm p˚a h˚alet. Om h˚alet och axeln skulle tillverkas i de yttersta toleranserna skulle detta resultera i ett radiellt glapp p˚a 0.05mm. Om sedan avst˚andet mellan h˚alen i gaveln skulle ligga p˚a maximalt till˚atna v¨arde, s˚a skulle detta resultera i ett axelavst˚and p˚a 83.15mm, vilket skulle vara inom givna toleranser. Om alla v¨arden skulle ligga p˚a minimum resulterar detta i ett axelavst˚and p˚a 82.85mm vilket ocks˚a ¨ar inom toleranserna. F¨or att sedan s¨akerts¨alla att gavlarna skulle ligga rakt i f¨orh˚allande till varandra s˚a f¨orseddes l˚angsidans gavlar med h˚al f¨or styrpinnar. Gavlarna p˚a riggen valdes att tillverkas i 25mm gods vilka skulle sam-manfogas till en l˚ada, detta tillsammans med en utbytbar botten och ett lock i plexiglas. D˚a detta var best¨amt gjordes bearbetningsritningar p˚a de detaljer som skulle tillverkas, det vill s¨aga gavlarna samt lagerh˚allarna, vilka ˚aterfinns i Appendix D. Sedan s˚a skick-ades dessa ritningar ut till n˚agra f¨oretag f¨or att f˚a in offerter p˚a tillverkning av dessa

4.1. Chassi 27

detaljer, och det slutliga valet f¨or tillverkning f¨oll p˚a Nova Industri i Kalix.

Axlar

Tanken var fr˚an b¨orjan att plocka l¨os kugghjulen och l˚ata tillverka axlar f¨or riggen d¨ar dessa kugghjul skulle monteras p˚a, detta visade sig dock inte g˚a s˚a l¨att som t¨ankt. Dels i form av att axlarna b˚ade var smidda och h¨ardade, vilket skulle f¨orsv˚ara modifiering. En annan anledning var ocks˚a att kugghjulet till ettans v¨axel p˚a den ing˚aende axeln var fr¨ast i axeln vilket om¨ojliggjorde demontering av kugghjulet fr˚an axeln. Detta ledde till en id´e att skarva denna upps¨attning axlar med ytterligare en upps¨attning, se figur 4.3. F¨ordelen med att g¨ora p˚a detta s¨att var att originalaxlarna skulle kunna beh˚allas helt in-takta. Detta skulle underl¨atta f¨or framtida bruk eftersom att axlar d˚a kan k¨opas/h¨amtas ¨

over disk. Denna l¨osning fick ocks˚a till f¨oljd att den ing˚aende axelns splines skulle kunna anv¨andas till att koppla in elmotorn p˚a, med hj¨alp av ett befintligt lamellcentrum. Efter-som hela synkroniseringspaketet sitter kvar mellan kugghjulen p˚a utg˚aende axel betyder detta ocks˚a att synkringen kan flyttas ¨over om ett test skulle vilja utf¨oras mellan det andra kuggparet p˚a axlarna. Om s˚a skulle ¨onskas kan synkpaketet och ¨ovriga kugghjul demonteras fr˚an axeln. Det leder ocks˚a till att axialkrafterna som uppkommer i snedkugg kommer att ta ut varandra. Det ¨ar extra viktigt att den delade axeln pressas samman av axialkraften s˚a att inga sp¨anningar uppkommer i riggen i samband med momentin-sp¨anningen. I figur 4.3 visas de uppkomna axialkrafterna samt vilka kugghjul som blir drivande d˚a momentet sp¨anns in.

Ing ˚aende axel

Enligt tankarna beskrivna i kapitel ?? best¨alldes en konisk axelkoppling. Dimensionering av kopplingen utgick endast utifr˚an ytterdiameter p˚a kopplingen d˚a axelavst˚andet ¨ar begr¨ansat samt att moment¨overf¨oringen i v˚art fall var liten. Enligt databladet ska den valda kopplingen klara av att ¨overf¨ora 730 Nm vilket ligger l˚angt ¨over det tillt¨ankta vrid-momentet p˚a 100 Nm. D˚a dess innerdiameter ej ¨overensst¨amde med axlarnas diameter konstruerades en adapter. F¨or att montera denna adapter p˚a befintliga axlar anv¨andes det g¨angade h˚alet i ena axel¨andan, se figur 4.4.

Figur 4.4: Det g¨angade h˚alet i axel¨anden.

Hylsan centreras och l˚ases med axeln tack vare den fina toleransen p˚a axeln. Skruven f¨orhindrar en axiell f¨orskjutning av skarvhylsan. Ytterm˚attet p˚a hylsan konstruerades efter den valda kopplingens innerdiameter. Dessa skarvhylsor monterades sedan p˚a varje axelhalva och d˚a axlarna ¨ar monterade i riggen anv¨ands axelkopplingen f¨or att sam-mankoppla dessa.

Utg ˚aende axel

N¨ar de utg˚aende axlarna skulle skarvas ihop fanns samma funderingar kring hur detta skulle ske p˚a smidigaste s¨att. Problemet med dessa var att de saknade den g¨ang som fanns i ¨anden p˚a kortsidorna p˚a ing˚aende axlar, samt att denna skarvhylsa beh¨ovde vara avsev¨art l¨angre. H¨ar redovisas de alternativ som togs i beaktning n¨ar det g¨allde hur skarvningen skulle utf¨oras.

Krymppassning

Krymppassning ¨ar en vanligt f¨orekommande metod som anv¨ands att sammanfioga oli-ka detaljer, exempelvis att montera kugghjul p˚a axlar, skarva ihop axlar eller i andra applikationer d¨ar vridmoment eller axiella krafter berh¨over ¨overf¨oras. Dock r˚adde stor os¨akerhet kring hur demontering skulle ske utan att skada axlarna eller ha s¨onder

kop-4.1. Chassi 29

plingen. Efter diskussioner framkom att det skulle vara sv˚art att demontera utan skador varav denna id´e f¨orkastades.

Sp¨annhylsa

Efter diskussioner med Niclas Engstr¨om vid avdelningen f¨or maskinelement framkom yt-terligare ett alternativ till skarvning med koniska sp¨annhylsor, vilka anv¨ands f¨or fasts¨attning av fr¨askroppar i fr¨aschuckar, se figur 4.5.

Figur 4.5: En konisk sp¨annhylsa.

Dessa skruvas sedan fast i en h˚allare som s¨atts fast i spindelnosen. Rent praktiskt skulle denna l¨osning i s˚a fall best˚a av en kl¨amhysla p˚a varje axel¨ande. Mellan de b˚ada skulle finnas en mellanliggande hylsa med motsvarande, inv¨andig kona samt uv¨andig g¨ang i b˚ada ¨andar. Det skulle medf¨ora att hylsorna skulle inf¨oras i respektive ¨ande p˚a skarvhylsan, och genom att dra ˚at de utv¨andiga l˚asmuttrarna s˚a kl¨ams kl¨amhylsorna ihop vilket fixerar axlarna i hylsan. F¨ordelen med en s˚adan typ av l¨osning skulle vara l¨att att demontera utan att skada axlarna n¨amnv¨art, samt att det skulle bli en robust l¨osning. Efter en s¨okning bland leverant¨orer av dessa produkter visade sig att kl¨amhylsor fanns i passande axeldimension, 34mm, samt l˚asmuttrar till denna typ av hylsa. Dock fanns inte den mellanliggande hylsan att tillg˚a som f¨ardig detalj. Hylsan i sig ¨ar dock inte s˚a komplex, men sv˚araste momenten b¨or vara att f˚a ¨onskad ytfinhet p˚a insidan samt h¨ardning av hylsan, om detta skulle visa sig vara n¨odv¨andigt.

Ett annat fr˚agetecken ¨ar hur stora vridmoment dessa kl¨amhylsor ¨ar avsedda f¨or att h˚alla emot. D¨arf¨or valdes denna l¨osning att ej anv¨andas eftersom os¨akerheten k¨andes f¨or stor.

Hylsa kombinerat med synknav

Tanken var h¨ar att svarva en l˚ang hylsa, som med hj¨alp av den fina axeltoleransen skulle kunna anv¨andas f¨or att linjera axlarna utan glapp. L¨angst ut i b˚ada ¨andar p˚a denna axel skulle splines fr¨asas, vilka skulle matcha mot de befintliga splinesen i axeln d¨ar synknavet sitter mellan 3:ans och 5:ans kugghjul. Detvisade sig sv˚art att tillverka h¨ardade splines i den dimensionen s˚a en tanke var att skarva den tillt¨ankta hylsan med de befintliga

synknaven. Tanken kring detta var att svarva hylsan i ¨onskad dimension, och sedan genom att montera en fl¨ans p˚a respektive sida kunna dra ihop synknavet med axeln via ett skruvf¨orband, se figur 4.6.

Figur 4.6: Konceptbild av skarvning mot synknav.

Dock fanns fr˚agest¨allningar kring detta koncept ocks˚a, och det ¨ar hur fl¨ansarna skulle monteras ihop med axeln. Att svetsa fast dessa p˚a en redan bearbetad axel skulle f¨ormodligen sabotera toleranserna i hylsan. F¨or att l¨osa detta bekymmer fanns tv˚a al-ternativ. Det ena alternativet var att ta ett r¨or med l¨ampliga dimensioner och svetsa fast en fl¨ans i ena ¨anden. Sedan skulle hylsan kunna s¨attas upp i svarven och bearbetas inv¨andigt, samt planing av fl¨ansen skulle ske. Sedan skulle en separat fl¨ans tillverkas vid sidan om, varp˚a denna skulle kunna f¨astas i hylsan med hj¨alp av kil och kilsp˚ar. Den andra m¨ojligheten vore att utg˚a fr˚an ett solitt ¨amne av samma ytterdimensioner som fl¨ansen, dvs ca. 80 mm, och sedan svarva klart inv¨andigt och sedan sp¨anna fast hylsan med hj¨alp av dubbocka. Detta skulle m¨ojligg¨ora utv¨andig svarvning f¨or att f˚a ner vikten hos kopplingen. Detta var ocks˚a det alternativ som k¨andes b¨ast och s¨akrast, varp˚a denna hylsa tillverkades i skolans verkstad. Som synes i figur 4.6 var tanken f¨orst att ha en fl¨ans p˚a baksidan synknavet, men den slutgiltiga l¨osningen blev att endast anv¨anda muttrar med fj¨aderbrickor. En bild ¨over den slutgiltiga skarvhylsan visas i samma figur som de v¨anda axlarna, figur 4.3.

4.2. Motoruppst¨allning 31

Momentinsp ¨anning

N¨ar ett moment skall sp¨annas in ¨ar tanken att frig¨ora axelkopplingen p˚a ing˚aende axel samt fixera den axelhalva som ¨ar hopkopplad med elmotorn. Den andra axelhalvan belas-tas d˚a med ¨onskat moment via h¨avarmen. D˚a momentet uppn˚atts monteras axelhalvorna ihop med hj¨alp av axelkopplingen.

F¨or att sp¨anna in vridmomentet i kretsen fanns tv˚a aktuella alternativ.

Ett f¨orslag var att av¨anda en momentnyckel. F¨ordelen med detta ¨ar att det blir enkelt att st¨alla in ¨onskat moment, tyv¨arr ¨ar nackdelen att m¨atnoggrannheten f¨or de flesta momentnycklar ligger kring 96-97 % vilket i detta fall skulle kunna f˚a stora felmarginaler. Ett alternativ vore att kalibrera momentnyckeln innan anv¨andning men detta alternativet faller bort d˚a det inte anses som robust ur ett l¨angre perspektiv.

Det andra alternativet ¨ar att anv¨anda sig av en h¨avarm och vikter som i FZG-riggen. Denna metod ¨ar dock betydligt mer sv˚arhanterlig d˚a fria vikter anv¨ands med risk f¨or person- och materielskada som f¨oljd. Vikter finns dock fr˚an den befintliga FZG-riggen vilka ¨ar uppm¨arkta med exakt massa. En nackdel med denna metod ¨ar att ifall stora moment skall sp¨annas in s˚a kr¨avs antingen en l˚ang h¨avarm eller m˚anga vikter. F¨ordelarna med denna metod ¨ar h¨ogre precision f¨orutsatt att l¨angden p˚a h¨avarmen och viktens massa ¨

ar korrekt. F¨or att denna metod ska kunna utnyttjas enkelt kr¨avs ett stort spektrum av vikter, samt flera steg p˚a h¨avarmens l¨angd alternativt en stegl¨os justering. Denna metod var dock den som valdes att anv¨andas d˚a det ans˚ags att f¨ordelarna uppv¨agde nackdelarna. Det befintliga lamellcentrumet kombinerades med ett kvadratiskt konstruktionsr¨or med 1000mm mellan axelcentrum till viktp˚al¨aggning. N¨ar momentet skall l¨aggas p˚a f¨asts lamellcentrumet p˚a axelsplinesen och ¨onskad vikt l¨aggs p˚a armen.

4.2

Motoruppst ¨allning

I denna rigg valdes det att g¨ora en motoruppst¨allning liknande den i den gamla riggen, och d¨arf¨or valdes en motor och sedan designades motorbryggan samt detaljer f¨or hopkoppling av motor och ing˚aende axel.

Val av motor

F¨or att kunna simulera ¨onskade driftsf¨orh˚allanden kr¨avdes det av elmotorn att den skulle klara varvtal i regionen 2-3000 rpm, eftersom detta ¨ar det varvtal som ing˚aende axel roterar i landsv¨agsk¨orning. Ett annat kriterium som motorn beh¨ovde uppfylla ¨ar att den skall klara av att leverera effektf¨orlusten vid angivet varvtal och vridmoment. Genom att nyttja ekvation 4.2 ber¨aknades totala effekten till 31,4kW. Antag att kretsen ger upphov till en effetktf¨orlust p˚a 5% vilket resulterar i en f¨orlust p˚a 1570W, eller ca 1.6 kW. Antas d¨armed p˚a en f¨orlust p˚a 10%,f˚as en marginal f¨or att kunna anv¨anda motorn i andra tester med h¨ogre effekter, beh¨ovs allts˚a en motor p˚a ca 3.1kW. En motor p˚a 3kW inhandlades tillsammans med en frekvensomriktare anpassad f¨or konstant momentbelastning ¨over

hela varvtalet. Denna frekvensomriktare ¨ar ocks˚a utrustad med en potentiometer f¨or att enkelt justera varvtalet. Den har ¨aven en display som visar vilken frekvens motorn ligger p˚a vilket kan r¨aknas om till utg˚aende varvtal, d¨ar 5 Hz motsvarar 300 rpm.

Motorbrygga med f ¨asten

Motorn placerades p˚a en platta utrustad med en led, se figur 4.7. Denna l¨osning valdes f¨or att en led av denna typ inte tar upp n˚agot moment i likhet med den knivsegg som anv¨andes i den gamla riggen.

Figur 4.7: Ledens konstruktion och placering.

Denna led f¨astes sedan via en platta i bordet. F¨astet till leden best˚ar i sin tur av en bit g¨angst˚ang f¨orsedd med tv˚a muttrar, varav den ena vilar mot r¨oret som ¨ar f¨ast i f¨astplattan. Anledningen till valet av g¨angst˚ang ¨ar att kunna finjustera h¨ojden p˚a motorn genom att skruva den nedre muttern som vilar p˚a r¨orbiten i f¨astplattan. Den ¨ovre muttern anv¨ands sedan f¨or att l˚asa fast den undre, och d¨armed fixera h¨ojden. Hur den slutgiltiga uppt¨allningen p˚a motorbryggan blev ses i figur 4.8 .

4.2. Motoruppst¨allning 33

Figur 4.8: Figuren visar motorns, ledens och lastcellens placering p˚a motorplattan.

Denna platta ¨ar ansluten i framkant till en lastcell, med ett best¨amt avst˚and fr˚an motoraxelns centrum, 300 mm. N¨ar sedan motorn roterar s˚a kommer kraften som bildas av motors vridmoment trycka p˚a lastcellen. En fril¨aggning av krafterna gjordes och kan ses i figur 4.9.

Momentj¨amvikt, moment positivt medurs:

Mmotor− Flast∗ L + Fled∗ 0 + mg ∗ 0 = 0 (4.1)

Detta medf¨or att:

Mmotor= Flast∗ L

Och eftersom Flast m¨ats av lastcellen och L ¨ar k¨ant s˚a kan allts˚a Mmotor ber¨aknas.

F¨or att montera lastcellen svarvades en puck, med M12-g¨ang i ena ¨anden f¨or att f¨asta mot bordet, och M6-g¨ang i andra ¨anden f¨or montering av lastcellen. Eftersom lastcellen arbetar med punktlast l¨amnades ett utrymme mellan foten p˚a lastcellen och pucken, d¨ar skruven l˚astes av en mutter f¨or att kunna f˚a till punktlasten. Samma sak gjordes mellan motorplattan och andra sidan av lastcellen. Lastcellen som anv¨ands ¨ar en S-modell av fabrikat Scaime f¨or belastning upp till 20 kg. Denna kopplas till en utslagsm¨atare som visar lastcellens signal under k¨orning, denna kan ocks˚a kalibreras f¨or vilken k¨anslighet man ¨onskar.

Vid montering p˚a bordet fanns en grundid´e hur allt skulle st˚a uppst¨allt, men eftersom att alla komponenter var tvugna att st˚a rakt i f¨orh˚allande till varandra, samt att h¨ojden best¨amdes av lastcellens h¨ojd gjordes f¨orst f¨otterna till l˚adan utifr˚an detta m˚att. D¨arefter best¨amdes den ungef¨arliga h¨ojden p˚a motorplattan, med ovan n¨amnda justeringsm˚an, samt att de olika f¨asth˚alen mot bordet borrades.

4.2. Motoruppst¨allning 35

Kopplingar

F¨or att koppla ihop ing˚aende axel med elmotorn s˚a tillverkades en stum koppling. P˚a elmotorn satt redan en koppling med r¨att axeldiameter och med tillh¨orande kil, dock var denna av fj¨adrande typ vilket gjorde den inaktuell att anv¨anda i detta syfte. Det valdes att modifiera den stumma delen av kopplingen genom att svetsa i hop den med en adapter som tillverkades. Andra sidan av denna adapter utformades f¨or att passa navet fr˚an kopplingscentrumet. Dels genom att svarva ur f¨or centrumhylsan, men ¨aven genom att skruva fast adaptern i den befintliga 6-bultcirkeln som finns p˚a lamellcentrumet.

Anledningen till att anv¨anda en stum koppling var f¨or att inte ha n˚agra f¨orluster i ¨

overf¨oringen mellan motor och sj¨alva kretsen, vilka skulle ge upphov till felk¨allor. Dock uppdagades det i ett tidigt stadium av provmonteringen att med tillg¨anglig tid, kun-skap och resurser s˚a skulle det uppst˚a sv˚arigheter i att kunna linjera in elmotorn. Efter samtal med1 _{framkom att den gamla testriggen hade en kardanaxel av skjuttyp, vilket}

m¨ojligg¨or en f¨orl¨angning av kardanaxeln ifall motorn skulle r¨ora sig och d¨armed skulle inte momentet tas upp i g˚angj¨arnet p˚a motorplattan. Trots att viss f¨orlust skulle uppst˚a i denna kardanaxel togs beslutet att det var ¨and˚a ett b¨attre alternativ ¨an en stum kop-pling, eftersom en ickelinjerad elmotor skulle kunna frambringa o¨onskade f¨orluster vilka f¨ormodligen skulle ¨overstiga f¨orlusterna i kardanaxeln. Utifr˚an detta gjordes den stela adaptern om f¨or att kunna anv¨andas mellan motor och den ena delen av kardanaxeln, samt en ny tillverkades mellan ing˚aende axel och andra ¨anden av kardanaxeln, se figur 4.11.

Figur 4.11: Kardanaxel med tillh¨orande adaptrar.

1

4.3

Montering

Eftersom den kompletta riggen skulle kunna monteras gjordes en prelimin¨ar uppst¨allning av delarna f¨or att sedan kunna bed¨oma dimensionen p˚a en del komponenter utifr˚an dess position till varandra.

Val av bord

Sj¨alva riggen skulle ocks˚a f¨astas i n˚agot f¨or att kunna vara stabil och motst˚a vibrationer och annat som kan t¨ankas uppkomma under drift. F¨orsta tanken var att anv¨anda en rul-lvagn av typen som ses i figur 4.4, vilket skulle medf¨ora att riggen skulle kunna f¨orflyttas i tribolab. Trots att b¨anken verkade stabil i sitt utf¨orande fanns funderingar kring dess vridstyvhet, och denna tveksamhet gjorde att ink¨opet sk¨ots upp.

Figur 4.12: Tillt¨ankt typ av rullvagn.

Ist¨allet anv¨andes ett befintligt st˚alfundament som redan fanns vid instutionen. Den-na ¨ar stabil och anv¨ands till andra testriggar vilket borgar f¨or att riggen skulle kunna stabiliseras bra p˚a detta bord. Det medf¨orde dock att riggen blev mindre mobil men m¨ojligheter finns ¨and˚a att f¨orflytta b¨anken med hj¨alp av exempelvis en pallk¨arra.

4.3. Montering 37

F ¨asten

Som f¨otter p˚a sj¨alva chassit valdes rektangul¨ara konstruktionsr¨or i dimensionen 100 x 50 x 3 mm, vilka f¨orseddes med p˚asvetsade ¨oron som i sin tur ¨okade h¨ojden ytterligare 10mm. Dessa ¨oron anv¨andes sedan f¨or att skruva fast i l˚adan med hj¨alp av den nedersta skruven p˚a kortsidan, se figur4.13 . Anledningen till att riggen h¨ojdes upp s˚a mycket var dels f¨or att lastcellen skulle kunna byggas in under motorplattan, men ocks˚a f¨or att n˚agon typ av djupare tr˚ag skulle kunna monteras ist¨allet f¨or den sl¨ata pl˚at som sitter d¨ar i nul¨aget. Anledningen till montera f¨otterna i kortsidan var f¨or att inte t¨acka ¨over n˚agon av de skruvar som h˚aller tr˚aget underifr˚an f¨or att m¨ojligg¨ora byte av tr˚ag utan att beh¨ova skruva l¨os f¨otterna. Nackdelen med denna l¨osning ¨ar att vid demontering av l˚adan m˚aste en kortsida tas bort vilket i sin tur g¨or att chassit beh¨over pallas upp.

Den slutgiltiga uppst¨allningen p˚a bordet syns i figur 4.13

K

APITEL

5

Testmetod & Testresultat

F¨or att kunna bed¨oma funktionaliteten hos den f¨ardiga riggen s˚a har ett antal olika tester utf¨orts. Under f¨oljande kapitel redovisas hur testen g˚att till samt dess resultat. Det har inte tagits n˚agon h¨ansyn till oljornas specifika egenskaper, utan testernas syfte har enbart varit att visa att riggen kan detektera skillnader mellan de olika driftsf¨orh˚allandena, d¨ar det b¨or finnas skillnader.

5.1

Genomf ¨

orande av test

Det f¨orsta funktionalitetstestet genomf¨ordes med Biltemas transmissionsolja, av standard GL5-typ. Botten av testriggen f¨orseddes f¨orst med tv˚a skvalppl˚atar p˚a kugghjulens sida mot mitten av chassiet. Dessa hade fr¨amst till uppgift att minska oljevolymen hos riggen. Olja fylldes upp till en h¨ojd av 35 mm, vilket var tillr¨ackligt f¨or att kuggarna skulle komma i kontakt med oljan.

D˚a momentet l¨aggs p˚a med en h¨avarm och vikter kan detta justeras stegl¨ost och det finns inte n˚agon begr¨ansning i hur stort moment som g˚ar att l¨agga p˚a. P˚a grund av detta valdes fyra olika lastfall f¨or att verifiera riggens funktion:

• Obelastad. Detta k¨ordes f¨or att kunna best¨amma tomg˚angsf¨orlusterna, eller de momentoberoende f¨orlusterna.

• 27.4Nm. Denna belastning motsvarar egenvikten hos momentarmen, och utifr˚an dess masscentrum ger egenvikten upphov till detta moment.

• 47 Nm. Ovanst˚aende egenvikt tillsammans med en vikt p˚a tv˚a kg placerad p˚a en meters l¨angd fr˚an centrum.

• 106 Nm. Armens egenvikt samt en massa p˚a ˚atta kg placerad p˚a en meters h¨avarm. Eftersom den analoga avl¨asningen av lastcellen var graderad i en skala som var angiven i enheten ”cal”, vilket ¨ar en form av kvot, s˚a gjordes en best¨ammning av hur stor denna