Optimering av ventillyftare till Volvo B20: En experimentell forskning med fokus på relationen mellanhållfasthet och vikt

(1)

Optimering av ventillyftare till Volvo B20

- En experimentell forskning med fokus på relationen mellan hållfasthet och vikt

Optimization of valve lifter for Volvo B20

- An experimental research with focus on the relation between strength and weight

Namn: Joachim Öholm Adolfsson & Markus Danielsson

Handledare företag: Reine Gustafsson, AGAP Handledare LNU: Leif Petersson & Samir Khoshaba

Examinator: Izudin Dugic Termin: VT21, 15HP

Ämne: Examensarbete/2MT16E

Examensarbete i Maskinteknik

(2)

(3)

Sammanfattning

Med exponentiellt ökande energianvändning i världen, krävs det att tillverkning av produkter och konstruktioner idag, sker på ett hållbart sätt. I en utopi hade alla bristfälliga och ineffektiva förbränningsmotorer ersatts med nya

bränsleeffektiva och miljövänliga alternativ. Att ersätta alla existerande konstruktioner med nya, är ur ett tillverknings- och miljöperspektiv ej genomförbart. Ett realistiskt alternativ är i stället att effektivisera redan existerande förbränningsmotorer. Genom ersättning av bristfälliga

maskinkomponenter i motorer kan ökad verkningsgrad uppnås. Reducering av vikt för avgörande komponenter i en motor bidrar till minskad

bränslekonsumtion och reducerade utsläpp, vilket i sin tur medför att existerande och bristfälliga konstruktioner blir mer miljövänliga och hållbara. Detta främjar konsumenten ekonomiskt men också miljön ur ett lokalt och globalt perspektiv.

Resurseffektiviteten bidrar till en reducerad klimatpåverkan, vilket i sin tur leder till en mer hållbar utveckling.

Syftet med studien innefattas av att förklara hur en minskad vikt av

motorkomponenter leder till en ökad verkningsgrad, vilket vidare leder till en ökad bränsleeffektivitet och minskad miljöpåverkan. Syftet är också att undersöka hur vikten kan reduceras utan att hållfastheten försämras. Ett ytterligare syfte är att väcka intresse och förståelse kring ventilmekanism och verkningsgrad i förbränningsmotorer.

Målet är att med dagens teknik och kunskap, utveckla nya ventillyftare som besitter en lägre vikt än originallyftarna. Konstruktionen ska kunna motstå samma belastningar som originalet utan att lyftarens höjd och bredd ändras.

Studien inleds med att studera teorier kring förbränningsmotorer och hållfasthet, för att sedan undersöka möjlig viktreducering av ventillyftare till Volvo B20 och därmed öka verkningsgraden i motorn. Originalkonstruktionen kommer studeras, testas och analyseras för att lokalisera brister. Konstruktionen kommer sedan optimeras genom att avlägsna överflödigt material och oönskade egenskaper.

Efter att nya idéer och koncept tagits fram, kommer dessa testas i experiment för att se om de uppfyller kraven.

Resultaten från denna studien visar på att vissa konstruktioner kan bära på onödig vikt som kan påverka en hel konstruktions funktion negativt. Denna överflödiga vikt kan avlägsnas utan att hållfastheten i komponenten påverkas.

Den visar också genom teorin att en minskad vikt i vissa motorkomponenter kan leda till en högre verkningsgrad i motorn. En viktig aspekt för mängden

avgasutsläpp en bil genererar är dess bränslekonsumtion. Bränslekonsumtionen

påverkas direkt av verkningsgraden i motorn, vilken i sin tur står i relation till

vikten av motorns komponenter.

(4)

Summary

With an exponentially increasing use of energy, products and constructions manufactured today are required to meet new regulations in sustainability. In a utopia, all inadequate and fuel-ineffective designs have been replaced with new fuel-effective and environmentally friendly alternatives. Replacing all existing structures and engines with new ones is not possible in neither a manufacturing nor an environmental perspective. A more realistic alternative would be to make existing constructions more effective. This can be made possible by replacing inadequate machine components in engines, to increase their efficiency. Reducing the weight of crucial components in an engine will lead to reduced fuel consumption and lower emissions, thus making an existing and insufficient design more environmentally friendly and sustainable. This will benefit the customer financially, but also the environmental in a local and global point of view. Resource efficiency contributes to a reduced climate impact, which in turn leads to a more sustainable development.

The purpose of the study is to explain how a reduced weight of certain engine components leads to an increased efficiency, which further leads to an improved fuel efficiency and a reduced environmental impact. The aim is also to

investigate how weight can be reduced without lowering the strength of the construction. Another purpose is to arouse interest and understanding about valve mechanism and efficiency in internal combustion engines.

The goal is to, with today’s technology and knowledge, develop new valve lifters with lower weight than the original ones. The construction must be able to withstand as large loads as the original without changing the height or the width of the lifter.

The study begins with research theories regarding internal combustion engines and solid mechanics, in order to determine possible weight reduction of the valve lifters of the Volvo B20 engine and thus increase the efficiency of the engine. The original design will be studied, tested and analyzed to locate defects.

The design will then be optimized by removing unnecessary material and unwanted properties. After new ideas and concepts have been developed, these will be tested in experiments to see if they meet the requirements.

The results from the study shows that some constructions can carry unnecessary weight which can have a negative impact on an entire constructions function.

This excessive weight can be removed without affecting the strength of the component. It also shows through the theory that a reduced weight in certain engine components can lead to a higher efficiency in the engine. An important aspect of the amount of exhaust emissions a car generate is its fuel consumption.

Fuel consumption is directly affected by the efficiency of the engine, which in

turn is related to the weight of the engine components.

(5)

Abstract

Studien redogör för hur ett ingenjörsmässigt tillvägagångssätt, kan optimera en komponent mot en lägre vikt samtidigt som hållfastheten bibehålls. En detalj kan på så sätt tillverkas med mindre materialåtgång än först tänkt men ändå klara av lika stora eller större laster.

Förbränningsmotorers bränsleeffektivitet är direkt kopplad till verkningsgraden.

Vikten av rörliga komponenter ger upphov till tröghetsmoment som i sin tur motarbetar rotationen av ventilmekanismen. Genom ökad verkningsgrad

reduceras bränslekonsumtion och utsläpp, vilket ur ett miljöperspektiv förhåller sig till en hållbar utveckling.

Studien visar och reflekterar kring hur viktreducering av ventillyftare till Volvo B20 kan genomföras för att effektivisera verkningsgraden genom minskat tröghetsmoment. Hypotesen är att undersöka och beräkna om viktreducering är möjlig utan reducerad hållfasthet.

Utifrån resultaten har vikt och hållfasthet inga parallella samband. De koncept som testas påvisar att viktreducering genom hål främst bygger på

spänningsflöden från spänningskoncentrationerna, och inte enbart tvärsnittsarea.

Genom viktoptimering kan hållfastheten i konstruktionen bibehållas men även ökas.

Slutligen kan företaget tillämpa det färdigställda konceptet till produktion. Vid applicering av viktoptimerade ventillyftare kan även förbränningsmotorns verkningsgrad gynnas. Läsaren ska efter studien kunna erhålla en fördjupad kunskap kring förbränningsmotorer, optimering av konstruktion samt verkningsgrad.

Nyckelord: Viktreducering, optimering, hållfasthet, spänning,

spänningskoncentrationer, dubbel radie, varierande radie, kontakttryck,

utmattning, förbränningsmotor, ventilmekanism, tröghetsmoment,

verkningsgrad, miljö, hållbar utveckling

(6)

Förord

Denna studie har utförts som ett examensarbete för högskoleingenjörsutbildningen med inriktning Maskinteknik, på fakulteten för teknik på Linnéuniversitetet, våren 2021. Studien har genomförts med företaget AGAP i Taberg och vi vill tacka Reine Gustafsson för samarbetet och möjligheten att utföra arbetet.

Vi vill tacka våra handledare Leif Petersson och Samir Khoshaba för deras hjälp och engagemang genom arbetets gång.

Vi vill även tacka Mats Almström, Emil Pettersson och Per Fredriksson för deras hjälp att bearbeta och testa ventillyftarna i experimenten.

Slutligen vill vi tacka våra opponenter Anton Larsson och Oliver Prytz för deras tips och synpunkter under studiens gång.

Joachim Öholm Adolfsson & Markus Danielsson

Linnéuniversitetet Växjö, maj 2021

(7)

Innehållsförteckning

1. Introduktion _________________________________________________ 1

1.1 Bakgrund _________________________________ 1 1.2 Problematisering _ 3 1.3 Syfte och mål 4 1.4 Frågeställningar 4 1.5 Hypotes ____________ 4 1.6 Studiens förväntade relevans och bidrag _ 5 1.7 Avgränsningar _ 5 1.8 Nomenklatur 6 2. Metod _________________ 8

2.1 Forskningsdesign _______________________________ 8 2.2 Experimentell forskning _ 8 2.3 Metodval _________ 9 2.4 Datainsamling _ 9 2.4.1 Primärdata __ 9 2.4.2 Sekundärdata _ 10 2.5 Operationalisering _ 11 2.6 Reversed Engineering __ 11 2.7 Design av kamaxel och ventilmekanism 12 2.8 CAD-Computer Aided Design _ 12 2.9 Datasimulering _________ 12 2.10 Hårdhetsmätning _ 13 2.11 Tillvägagångssätt _____ 13 2.12 Forskningskvalitet och etik _ 15 3.Teori ________________________________ 17

3.1 Förbränningsmotor ____________________ 17 3.1.1 Ventillyftare 18 3.1.2 Energiförluster i ventilmekansimen 18 3.2 Material _ 19 3.2.1 Gråjärn 19 3.2.2 Vitjärn _ 20 3.2.4 Verktygsstål 20 3.3 Härdning 20 3.4 DLC beläggning 21 3.5 Spänning ______ 21 3.6 Töjning och kompression _ 22 3.7 Knäckning ___ 23 3.8 Utmattning _ 24 3.9 Nötning och kontakttryck _ 24 4. Genomförande ________________________ 26

4.1 Intervjuer ____________________________________________________________ 26

4.2 Befintlig data _________________________________________________________ 28

4.2.1 Krafter __________________________________________________________ 29

4.3 Test av ursprungskonstruktion ___________________________________________ 29

(8)

4.3.1 Hårdhetsmätning ____________________ 29 4.3.2 Kompressionstest 30 4.3.3 Utmattningstest 30 4.4 Beräkning av ursprungskonstruktion 31 4.5 Konceptframtagning _ 31 4.5.1 Beräkning av koncept _ 31 4.5.2 CAD modellering ______ 32 4.5.3 Viktminskning koncept _ 38 4.5.4 Simulering _ 39 4.5.5 Test av koncept 39 5. Resultat och analys __________ 41

5.1 Tester Ursprungskonstruktion ______________ 41 5.1.1 Hårdhetsmätning 41 5.1.2 Simulering av ursprungskonstruktion 41 5.1.3 Kompressionstest 42 5.1.4 Utmattningstest 45 5.2 Beräkning av ursprungskonstruktion 45 5.2.1 Kompression 45 5.2.2 Knäckning _ 45 5.2.3 Utmattning _ 45 5.2.4 Nötning och kontakttryck 46 5.3 Material ___ 46 5.4 Koncept _ 47 5.4.1 Simulering av koncept 48 5.4.2 Test av koncept 49 6. Diskussion och slutsatser _________ 51

6.1 Frågeställningar och hypotes ___________________ 51 6.1.1 Frågeställningar _ 51 6.1.2 Hypotes ____ 51 6.2 Metoddiskussion 52 6.3 Ursprungskonstruktion _ 52 6.4 Kompression _ 53 6.5 Utmattning ___ 53 6.6 Kontakttryck och nötning _ 53 6.7 Koncept _________ 54 6.8 Slutsats _ 56 6.9 Rekommendationer och vidare arbete 57 7. Referenser _____________________ 58

8. Bilagor ____________________________________________________ 63

(9)

1. Introduktion

I introduktionen ges en beskrivning av bakgrunden till problemet och en inledande bild av en ventillyftare och dess funktion i en förbränningsmotor.

Vidare följer en problembeskrivning, syfte och mål, frågeställningar samt hypotes för studien.

1.1 Bakgrund

Återanvändning och förlängt brukande av befintliga konstruktioner har i dagens samhälle en hög relevans. Återbruk och nyttjande av konstruktioner under längre tid, bidrar till att undvika energikrävande och miljöpåfrestande processer vid nytillverkning. Därför är det av yttersta vikt att kunna byta ut svaga eller bristfälliga komponenter i gamla konstruktioner, för att öka livslängden på ett säkert samt energieffektivt sätt.

Förbränningsmotorer har funnits i nästan 200 år och flertalet äldre motorer är fortfarande i bruk. För att förlänga livslängden, samt uppnå en högre bränsleeffektivitet kan vissa komponenter ersättas med nyare, lättare och mer slitstarka alternativ. Implementering av nyutvecklade komponenter kan appliceras på originalkonstruktionen genom materialbyte eller

konstruktionsändringar.

Dagens bilindustri är starkt förknippat med att generera produkter och komponenter som har ett konkurrenskraftigt pris, är tillförlitliga, säkra och hållbara (Jimenez, Martinez, Figueroa & Altamirano, 2014). Inom

nytillverkning av motorkomponenter, finns ett stort fokus på att reducera vikten. Fördelen med att reducera vikten är att bilarna uppnår högre energi- samt bränsleeffektivitet (Poulikidou, Schneider, Björklund, Kazemahvazi, Wennhage, & Zenkert, 2015). Stora resurser krävs för att designa,

konstruera och tillverka nya motorer. Ur ett miljöperspektiv krävs uppoffringar genom stora energi- och effektkrävande processer. Ett mer hållbart alternativ kan därför appliceras genom ersättning av komponenter med direkt påverkan på förbränningsmotorns verkningsgrad. Genom implementering av ovan beskriven metod kan en äldre, fullt fungerande konstruktion, optimeras mot en lägre bränslekonsumtion, vilket bidrar till att utsläppen reduceras.

Ventilmekansimen styr och reglerar bränsletillförseln och avgaserna i en

förbränningsmotor. En betydande del i ventilmekanismen, som gör det

möjligt att öppna och stänga ventilerna är ventillyftaren. Ventillyftaren är

den maskinkomponent som överför kamprofilens cirkulära rörelse till en

vertikal rörelse i ventilmekanismen. Den kinetiska energin används för att

öppna och stänga ventilerna (Nayak, Lakshminarayanan, Gajendra Babu &

(10)

Dani, 2006). De kompressionslaster en ventillyftare utsätts för visas i Bilaga 1.

Företaget AGAP konstruerar och saluför eftermarknadskomponenter, främst kamaxlar med tillförande komponenter för ventilmekanismen. AGAP har de senaste åren sett ett ökat intresse för motorsport, vilket medfört en större efterfrågan på företagets sortiment. Motorsportsklasser som körs med äldre bilmodeller blir allt mer populära, där med växer efterfrågan av

kvalitetskomponenter till dessa motorer. Företaget tillhandahåller

komponenter för Volvos B20 motor. För att göra produktserien komplett saknas idag ventillyftare.

Den befintliga konstruktionen med material och dimensioner för

ventillyftaren till Volvo B20 är över 50 år gammal. Designen bygger på dåtidens ingenjörskonst och tillgängliga materialval. Med hjälp av dagens kunskap och teknologi bör möjlighet till förbättring genom framförallt viktminskning finnas. De nya ventillyftarna ska användas till vanliga motorer men framförallt till racing/trimmade motorer. Applikationen ställer krav på lägre vikt med en bibehållen hållfasthet jämfört med

ursprungskonstruktionen för en B20 motor. Genom reducering av

ventillyftarnas vikt, minskar förbränningsmotorns totala tröghetsmoment, vilket resulterar i en högre verkningsgrad.

I Figur 1 visas en original ventillyftare till en Volvo B20 motor och hur forskarna valt att namnge dess delar i denna undersökning. I Figur 2 redogörs ventillyftarnas placering i B20 motorn. I Bilaga 2 visas fler bilder för konfigurationen av Volvo B20 motorn.

Figur 1: Ventillyftare till en Volvo B20 motor uppdelad i tre delar

(11)

Figur 2: En Volvo B20 motor visas här med ventillyftarna i svart

1.2 Problematisering

Lagstiftningen ändras ständigt kring mängden växthusgaser bilar får släppa ut vid tillverkning, användning och skrotning. En viktig aspekt för mängden avgasutsläpp en bil genererar är dess bränslekonsumtion.

Bränslekonsumtionen påverkas direkt av verkningsgraden i motorn, vilken i sin tur står i relation till vikten av motorns komponenter (Palazzo & Geyer, 2019).

Detaljutformning kan generera lägre vikt och reducerad

materialandvändning, utan att påverka hållfastheten. Genom att uppnå en resurseffektiv konstruktion, där mindre material krävs, reduceras påverkan på miljön samt att kostnadseffektiviteten ökar. Detta leder i sin tur till en hållbar utveckling (Poulikidou m.fl, 2015).

En av komplikationerna med att vidareutveckla äldre komponenter är att information kring konstruktionsprocessen är svårtillgänglig. Då krav och materialdata är okänt måste omvänd ingenjörskonst tillämpas.

Säkerhetsfaktor, krafter och spänningar behöver därför beräknas utifrån den

befintliga detaljen.

(12)

Genom att undersöka materialval och bearbetning av konstruktionen kan vikten reduceras samtidigt som hållfastheten av maskinkomponenten bibehålls. Studien kan då påvisa en effektiv implementering av ny teknik från en ingenjörsmässig ståndpunkt. Ny kunskap kring konstruktion och val av nya material, skapar därför nya ramar för konstruktören att

vidareutveckla utformandet av konstruktionen. Problemet kretsar kring hur bibehållandet av hållfastheten kan uppnås genom viktreducering, samt hur en minskad vikt leder till en minskad miljöpåverkan.

1.3 Syfte och mål

Syftet innefattas av att undersöka hur vikten kan reduceras utan att

hållfastheten försämras. Syftet är också att förklara hur en minskad vikt av motorkomponenter leder till en ökad verkningsgrad, vilket vidare leder till en ökad bränsleeffektivitet och minskad miljöpåverkan. Ett ytterligare syfte är att väcka intresse och förståelse kring ventilmekanism och verkningsgrad i förbränningsmotorer.

Målet är att med dagens teknik och kunskap, utveckla nya ventillyftare som besitter en lägre vikt än originallyftarna. Konstruktionen ska kunna motstå samma belastningar som originalet utan att konstruktionens höjd och bredd ändras.

Företaget efterfrågar olika koncept av ventillyftare vilket utgörs av:

1. En design vilket efterliknar original konceptet från Volvo.

2. En vidareutvecklad design av originalkonceptet med bibehållen hållfasthet och reducerad vikt.

3. Alternativt en helt nyutvecklad design med krav på bibehållen hållfasthet och reducerad vikt.

1.4 Frågeställningar

● Vilka samband finns mellan parametrarna vikt och hållfasthet?

● Hur kan vikten reduceras samtidigt som kraven på hållfastheten fortfarande uppnås på ventillyftare till Volvo B20?

● Hur kan ökad hållfasthet implementeras på ventillyftare?

1.5 Hypotes

● Ventillyftarens vikt kan reduceras utan att minska hållfastheten med hjälp

av nutida ingenjörsmässiga tekniker och förhållningssätt.

(13)

1.6 Studiens förväntade relevans och bidrag

Jordens resurser är begränsade och dagens energibehov större än någonsin, vilket troligtvis fortsatt kommer att öka (Saito, 2010). Detta kräver att produkter och konstruktioner som idag tillverkas, gör detta på ett hållbart sätt. Flertalet äldre bilar är varken bränsleeffektiva eller miljövänliga och i en utopi hade dessa bilar ersatts med nya miljövänliga alternativ. Att ersätta alla äldre bilar och motorer med nya, är ur ett tillverkningsperspektiv och miljöperspektiv väldigt svårt. Ett realistiskt alternativ är i stället att effektivisera existerande konstruktioner. Detta kan möjliggöras genom ersättning av bristfälliga maskinkomponenter i motorer, för att öka verkningsgraden. Implementering av nya komponenter leder då till

reducerad bränsleförbrukning och avgasutsläpp. Detta främjar konsumenten ekonomiskt samt hens miljö på ett lokalt och globalt sätt.

Resurseffektiviteten bidrar till en reducerad klimatpåverkan, vilket i sin tur leder till en mer hållbar utveckling.

Det finns därför en vetenskaplig relevans i att undersöka, reflektera och identifiera nya konstruktioner och materialval. Studien kan på så sätt bidra till en ökad förståelse kring vikten av materialval och dess påverkan på relationen mellan hållfasthet och vikt.

Forskningens samhällsrelevans rotar sig i att bidra med djupare förståelse kring ventilteknik i förbränningsmotorer för kommande generationer med maskinteknisk bakgrund. Studien riktar sig till att förklara

maskinkomponenternas påverkan och relation till varandra. Forskningen redogör också hur ett förbättringsarbete genomförs på ett ingenjörsmässigt sätt. Framtida studenter ska genom läsning av rapporten, besitta en berikad kunskap kring optimering av hållfasthet samt dess direkta relation till hur vikt och materiallära samverkar.

1.7 Avgränsningar

Eftersom det bara är konstruktionen av ventillyftaren som ska ändras och inte stötstången eller cylinderloppet för lyftaren, är geometrin låst i form av höjd och bredd.

Då studien sträcker sig över en begränsad tidsperiod, en kurs på 15HP, kommer inte framtagning av fysiska prototyper vara aktuella.

Hårdheten av lyftaren skal ingå i en relation mellan kamaxeln där lyftaren förhåller sig till cirka 100 HV hårdare. Den kända hårdheten för kamaxeln är 620–630 HV.

För att lyftaren ska kunna användas i historisk racing är materialändring ej

tillåten. Formändring är endast tillåtet att utföras genom bearbetning på

originalkonstruktionen (Svenska Bilsportförbundet, 2021). Det innebär att

materialet för ventillyftaren måste tillverkas i gjutjärn för att godkännas

inom klassisk racing enligt regelboken.

(14)

1.8 Nomenklatur

p Tryck

v Volym

T Temperatur

s Entalpi

µ Termisk verkningsgrad

w Effekt

𝑞

_{𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓ö𝑟𝑑}

Tillförd värme

𝑞

_{𝑏𝑜𝑟𝑡𝑓ö𝑟𝑑}

Bortförd värme

HB Hårdhet enlig Brinell HV Hårdhet enligt Vickers HRC Hårdhet enligt Rockwell

𝑃

_𝑐𝑟

Maximal tillåten last enligt Euler

𝑃 Axiell last

𝐸 Elasticitetsmodul (E-modul)

𝐼 Tröghetsmoment

𝐿 Längd

𝐿

_𝐸

𝐿

²

ν Poisson’s tal

𝑆

_𝑦

Sträckgräns

𝑆

_𝑢

Brottgräns

h Höjd

𝑑

_𝑦

Ytterdiameter

𝑑

_𝑖

Innerdiameter

t Väggtjocklek

m Massa

ρ Densitet

𝑚

_𝑖

Massa mittendel

𝐿

_𝑐

Cylinderlängd

𝜎

_𝑚𝑎𝑥

Max spänning

𝑃

_𝑚𝑎𝑥

Maxkraft

A Area

𝐼

_𝑦

Tröghetsmoment kring y-axeln

𝑃

_𝑎

Alternerande kraft

𝜎

_𝑎

Alternerande spänning

𝜎

_𝑚

Medelspänning

SF Säkerhetsfaktor

𝐾

_𝑓

Spänningskoncentrationsfaktor för utmattning

𝐾

_𝑡

Spänningskoncentrationsfaktor

(15)

q Kärlkänslighetsfaktor

𝐴

_𝑜𝑢𝑡

Ytterarea

𝐴

_𝑖𝑛

Innerarea

𝐴

_{ℎ𝑜𝑙𝑒𝑠}

Area hål

𝑆

_𝑛

Uthållighetsgräns för utmattning 𝑆

_𝑛

′ R.R. Moore, endurance limit

𝐶

_𝐿

Lastfaktor

𝐶

_𝐺

Gradientfaktor

𝐶

_𝑆

Ytfaktor

𝐶

_𝑅

Tillförlitlighetsfaktor

𝐶

_𝑇

Temperaturfaktor

𝐴

_𝑚𝑖𝑛

Minsta tillåtna tvärsnittsarea

k Nötningskoefficient

H Hårdhet i MPa

𝑝

_𝑦

Yttryck

v Glidhastighet

W Bortnött volym

F Tryckkraft mellan två ytor

S Kontaktlängd

𝐶

_𝑎𝑟𝑐

Längd cirkelbåge ϕ Gradantal i cirkelbågen

D Diameter

C Kamaxelprofilens omkrets

𝜃

_{𝑚𝑎𝑥𝑐𝑎𝑚}

Max rotationshastighet för kamaxeln

n Varvtal

Δ Kontaktmodul

𝑝

₀

Kontakttryck

𝑝

_{0𝑚𝑎𝑥}

Max kontakttryck

𝑝

_{0𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙}

Medel kontakttryck

R Radie

𝐹

_𝑚𝑎𝑥

Maxkraft

(16)

2. Metod

I detta kapitel beskrivs de olika metoder och tekniker som används i

undersökningen för att besvara frågeställningarna. I kapitlet beskrivs också varför just dessa metoder används och på vilket sätt de ska tillämpas.

2.1 Forskningsdesign

Forskningsdesign är ett brett täckande begrepp över vilken typ av empiriskt material (explanans) som ska hjälpa till att exempelvis förstå ett visst fenomen. Syftet är att samla in material på ett rättvist och korrekt sätt för att redogöra det fenomen eller exempel som ska presenteras. Vem, vad eller vilka källor ska studeras? Vad ska besvaras och på vilket sätt ska det besvaras? Frågorna ställs för att finna det underlag som är av värde för att lösa problemet. Forskningsdesignen innefattas av metoder för att göra problematiseringen forskningsbar (Blomkvist & Hallin, 2019).

Denna studien kommer utgå från en experimentell forskningsdesign, genom att ta fram olika koncept av ventillyftare, genomföra beräkningar och sedan testa samt jämföra resultaten genom simuleringar och tester. Studien kommer också använda vissa delar från designmetodik genom att bland annat göra intervjuer för att öka förståelsen av problemet.

2.2 Experimentell forskning

Experimentell forskning grundar sig på att besvara varför fenomen uppstår och hur de påverkas av varandra. Forskningen ska bygga på redan befintlig väletablerad teori och utvecklas från dess startpunkt för att uppnå nya samband och kopplingar. Lämpliga variabler studeras och bidrar till att hypoteser och forskningsdesign genererar kvantitativa data. Metoderna som används för experimentell forskning är även kvantitativ i många fall.

Strategierna är beroende av kontroll av variabler och noggranna mätningar och dess förändringar under arbetets gång. Detta leder i sin tur till

generering av mätdata som lämpar sig för numerisk analys. Experiment liknar en fallstudie eftersom det också här innebär att ett fall studeras, men till skillnad från en fallstudie studeras här en skapad och på olika sätt kontrollerad eller manipulerad situation (Blomkvist & Hallin, 2019).

Eftersom olika koncept kommer tas fram, där parametrarna är kända,

används experimentell forskning som metod för att undersöka dess påverkan av varandra. Själva experimentet utförs genom dels simulering av de

framtagna koncepten, men även genom fysiska tester. Studien kommer efter vald forskningsdesign fokusera på hållfasthet och vikt för att försöka

fastställa hypotesen. Sammanfattningsvis används experimentell forskning då studien undersöker och redogör för relationen mellan de kända

variablerna genom simulering och test av olika koncept.

(17)

2.3 Metodval

För alla forskningsmetoder är det gynnsamt att bruka olika tekniker av datainsamling (Thomassen, 2007). Fördelen finns i att generera olika perspektiv av situationer och problem. Noggrannheten vid val av

datainsamlingsmetoder anpassat för ämnet som forskas på, är av stor vikt.

Datatillgång brukar delas in i två delar, primär- samt sekundärdata.

Primärdata är insamlad från själva datakällan för att besvara

frågeställningarna i den aktuella studien. Sekundärdata är insamlad och sammanställda data från studier som oftast är genomförd av någon annan (Säfsten & Gustafsson, 2019).

För att skapa en ökad förståelse kring ventilmekanism genomförs

teoristudier inom ämnet. Varje parameters inverkan på ventildrivlasterna beskrivs och skapar en grund för analysen i arbetet. Inledningsvis studeras alla tänkbara parametrar ingående för att sedan avgränsas i arbetet. För att finna och reglera dessa parametrar på ett tidseffektivt sätt används

föregående studier inom ämnet samt intervjuer med personer som besitter kunskap kring ämnet.

För att fastställa en hög reliabilitet i det empiriska material som samlas in, kommer egna mätningar samt beräkningar på originalkonstruktionen att genomföras.

2.4 Datainsamling

Empiri är insamling av information genom vetenskapliga undersökningar.

Detta utförs genom att observationer i verkligheten eller via experiment.

Det finns olika benämningar för den data som samlas in, bland annat primär- och sekundärdata (Blomkvist & Hallin, 2019). Datainsamling kan ske via vetenskapliga artiklar, intervjuer, enkäter och tidigare forskning, men även från egna mätningar genom tester och experiment.

2.4.1 Primärdata

Data som samlas in från individer eller grupper kallas primärdata. Insamling sker direkt från informationskällan exempelvis från företaget eller från andra personer inom området genom förslagsvis intervjuer eller observationer (Jacobsen, 2002). Empiri vilken samlas in genom intervjuer hör till en av de vanligaste metoderna inom kvalitativ samhällsvetenskaplig forskning.

Fördelen är att insamlingen av information sker med relativt enkla medel och ger en god bild över hur olika individer resonerar kring olika

frågeställningar. En intervju bidrar till att göra oväntade upptäckter vilket i

sin tur är en viktig dimension i kvalitativ forskning (Blomkvist & Hallin,

2019). Även data insamlad genom egna mätningar och tester är primärdata.

(18)

De datainsamlingsmetoder som innefattas i studien är empiri från företaget och andra personer som arbetat med Volvos B20 motor och dess

ventillyftare. I studien kommer även intervjuer utföras med konstruktörer och personer med anknytning till banracing eller rally, samt besiktningsmän för klasser där B20 motorn varit inkluderad. Egna mätningar och tester kommer utföras i studien och data från dessa kommer att användas och presenteras.

2.4.1.1 Icke-slumpmässigt urval

Ett icke-slumpmässigt urval sker på det material och data eller de personer som är villiga att delta. Nackdelen med ett sådant urval är att det genererar ett underlag som är svårt att dra säkerställda slutsatser utifrån. Den

insamlade informationen kan på så vis vara mer användbar om ett specifikt fenomen undersöks (Blomkvist & Hallin, 2015).

2.4.1.2 Snöbollsurval

Ett ytterligare användningssätt för att implementera ett icke-slumpmässigt urval är att använda sig av ett snöbollsurval. Intervjuer riktar sig då till specifika personer med goda erfarenheter inom området. Metoden bygger på att låta dessa personer rekommendera liknande personer att intervjua som i sin tur passar bollen vidare. Datainsamlingen blir då koncentrerad samt byggs på erfarenhet och kunskap (Blomkvist & Hallin, 2019).

Studien riktar sig till att nyttja ett icke-slumpmässigt urval i form av ett snöbollsurval. Genom att tillämpa ett sådant urval kan studien på ett tidseffektivt sätt erhålla en god förståelse kring de fenomen som är av intresse att undersöka.

2.4.2 Sekundärdata

Sekundärdata är redan existerande data som finns insamlad i andra undersökningar och studier. Sekundärdatas tillgänglighet används som referens till studiens arbete. Traditionellt innefattas informationen av vetenskapliga artiklar, undersökningsresultat, myndighetsinformation, tidningsartiklar hemsidor och olika dokument (Blomkvist & Hallin, 2015).

Sökningen kan ske via vanlig litteratur, personliga nätverk, internetsidor

eller olika databaser. Vid användning av sekundärdata är det viktigt att

uppsöka ursprungskällan för att säkerställa dess relevans, trovärdighet och

att referering sker på ett korrekt sätt. Nyttjandet av sekundärdata som källa

ställer krav på att den som söker information förstår dess syfte, metod och

mål för att kunna avgöra om data är felaktig. Metoden är tidseffektiv, då

mindre tid oftast behövs för att samla större mängder data, vilket skapar

möjlighet för omfattande jämförelse och utvärdering senare under arbetet

(Blomkvist & Hallin, 2015).

(19)

Den sekundärdata som kommer samlas in är bland annat information från andra ventillyftare på marknaden och från original ventillyftare med hjälp av bland annat originalritningar. Sekundärdata kommer även samlas in från ritningar, vetenskapliga artiklar och böcker gällande förbränningsmotorer samt hållfasthet. För att säkerställa validiteten i sekundärdata kommer vissa tester innefattande hårdhetsmätning, kompressionsprov och utmattningstest att utföras.

2.4.2.1 Litteraturstudie

Sökandet efter fördjupad kunskap kan ske via olika former av litteratur. I dagens samhälle finns flertalet optimerade sökmotorer som hjälpmedel och är ett effektivt verktyg för att hitta nyttig information. Att låna och

konsumera fysiska böcker är ett mer tidskrävande alternativ som bör vägas mot den avgränsningen i tid som forskningen är avsatt till (Patel &

Davidson, 2019).

Studien kommer nyttja relevanta källor som är vetenskapligt granskade, för att säkerställa validiteten i forskningen.

2.5 Operationalisering

Att finna relevanta begrepp ur teori kallas för operationalisering. Detta används till att sätta olika begrepp i fokus vilket kan gynna den fortsatta undersökningen. Operationalisering av teorin i relation av

problemformuleringen beskrivs som en process med att finna de begrepp som är relevanta i sammanhanget för att kunna undersöka frågeställningen. I vissa fall kan begreppen tolkas som författarens egna värderingar. Av den anledningen är det viktigt att på ett så tydligt sätt som möjligt redogöra vad begreppen avser i den aktuella undersökningen (Eliasson, 2018).

Genom att studera och jämföra relevanta studier, kan begrepp och variabler av vikt sovras. Begreppen granskas närmre och används i studien för att generera variabler av intresse. Dessa variabler inkluderar bland annat

förbränningsmotor, ventilmekansim, utmattning, kompression och nötning.

2.6 Reversed Engineering

Processen vilken används för att undersöka en existerande produkts design, funktion och syfte kallas för ”Reversed Engineering”. Arbetssättet används oftast för att skapa virtuella 3D modeller från fysiska produkter med hjälp av en skanner (Azwan, Syafik, Hassan & Izamshah, 2017)

I denna undersökningen måste Reversed Engineering tillämpas då

information kring hur ventillyftaren konstruerades för över 50 år sedan är

svårtillgänglig. Genom att utföra olika tester och beräkningar skapas en

förståelse kring hur ingenjörerna bakom konstruktionen tänkte och gick till

(20)

väga. För att veta vad som är de mest avgörande egenskaperna för

ventillyftaren är det viktigt att veta hur originalkonstruktionen kom till. Det är svårt att identifiera det exakta tillvägagångssättet som applicerades genom den här tekniken, dock går det att få en god överblick kring uträkningar och konstruktion.

2.7 Design av kamaxel och ventilmekanism

4stHEAD är ett simuleringsprogram vilket innefattar de viktigaste

aspekterna av motordesign med fokus på topplocket. Programmet byggs på erfarenheten från motorutveckling av Gordon P. Blair för att tillhandahålla ett mycket kraftfullt designverktyg.

Mjukvaran inkluderar design av ventillyft, där profildesign för ventillyft kopplas till kamaxeldesign och kamprofil design. Det inkluderar även vidareutveckling, kvalitetskontroll samt precision vid kamaxelslipning.

Utformningar av kurvor för ventillyft, dynamiken av ventilfjädrar, ventilsystemets utformning, tändtider och förbränningskammare ingår i beräkningarna.

Sammanfattningsvis kan de dynamiska profilhastigheterna, acceleration, svängningar och krafter beräknas och fastställas med hjälp av kamaxelns utformning och rotationshastighet (Professor Blair & Associates, 2020).

Programmet 4stHEAD kommer att användas för att avgöra kraften mellan kamaxeln och ventillyftaren, samt kraften mellan ventillyftaren och

stötstången. Lasterna är avgörande för att kunna dimensionera ventillyftaren på bästa sätt utifrån applikationen den används i.

2.8 CAD-Computer Aided Design

Den vanligaste förekommande datorbaserade modelleringen kallas för Computer Aided Design (CAD). Verktyget används för att skapa virtuella modeller i 2D och 3D. Måttsättning samt toleranser appliceras direkt i programmet vilket ökar produktiviteten hos en konstruktör (Johannesson, Persson & Pettersson, 2013). CAD program med 3D modellering tar allt mer över tillverkningsindustrin och ersätter traditionella 2D ritningar. Genom att tillämpa program för CAM beredning (Computer Aided Manufacturing), kan en ritning med komplicerad geometri skickas direkt till en robot som sedan tillverkar prototypen (Ma & Xilong, 2014).

I studien kommer Solidworks 2020 användas för att dels utvärdera

originalkonstruktionen, men även för att skapa nya koncept för ventillyftare.

2.9 Datasimulering

Datasimulering är ett vanligt förekommande verktyg för produktutvecklare

och innebär att istället för att ta fram en fysisk prototyp av en produkt att

testa, simulerar mjukvaran eventuella brister i konstruktionen.

(21)

Datasimulering brukar delas in i tre steg, bearbetning före och efter, samt själva simuleringen där emellan (Steinhauser, 2012). Först tas en CAD- modell fram efter att ha utfört beräkningar på hållfasthet. CAD-modellen testas sedan i ett program där de olika laster som produkten förväntas utsättas för adderas. Efter simulering, analyseras den data som erhållits och eventuella defekter på den framtagna CAD-modellen markeras (Steinhauser, 2012). Om modellen har brister vilka inte kan överses, kan CAD-modellen enkelt ändras och testas i simuleringsprogrammet igen. Genom att tillämpa ett simuleringsprogram sparas både tid, pengar och resurser, eftersom antalet fysiska prototyper kan reduceras. Datasimulering kan också användas i de fall där verkliga experiment anses för riskabla eller för komplicerade att utföra (Steinhauser, 2012).

Simuleringsverktyget som nyttjas i studien, används för att undersöka hur en variation för varje enskild parameter påverkar stötstångslasterna i

ventildrivningen. För att verifiera simuleringen genomförs även fysiska tester av koncepten. Verifieringen utförs för att generera en ökad tillförlitlighet till simuleringsmodellen (Osman, 2012). Simulering som genomförs i studien utförs med hjälp av Solidworks 2020.

2.10 Hårdhetsmätning

Hårdhetsmätning är en typ av prövning där hårdheten på ytan av ett material testas (Leijon, 2013). Mätningen utförs för att säkerställa kvaliteten på ett material samt jämföra den verkliga hårdheten med specifikationer från materialleverantören. Hårdhetsprovning är en förstörande provningsmetod där delen som testas inte kan användas efter testet (Herrmann, 2011).

Principen för hårdhetsmätning är att en härdad kula eller kon, alternativt en pyramidform, trycks in i materialet som testas med en viss kraft (Walley, 2012). De vanligaste metoderna för hårdhetsmätning är Rockwell, Vickers och Brinell. I Rockwell kan antingen en kula eller kon användas, i Brinell en kula och i Vickers en pyramidformad diamant (Leijon, 2013). Avtrycket i det testade materialet mäts efter att lasten avlägsnats och jämförs med tabellvärden (Herrmann, 2011). Mätningen bör utföras på flera olika punkter på detaljen som testas, för att undvika mätfel på grund av defekter på ytan.

I studien kommer hårdhetsmätning utföras på originallyftare och eftermarknadslyftare för att verifiera den data som erhållits.

2.11 Tillvägagångssätt

I Figur 3 visas hur arbetet är tänkt att gå till väga.

(22)

Figur 3: Schema över vilka delar som arbetet innefattar samt i vilken ordning de ska utföras

Inledningsvis utförs studien på beställning av företaget AGAP i Jönköping och följs upp av en problemformulering. Därefter genomförs observationer kring ämnet för att skapa en grundläggande förståelse. Intervjuer hålls med personer vilka besitter spetskompetens för att komplettera bakgrunden och arbetets problemformulering. Hypotesen fastställs som ett mål att kunna besvara under simuleringar och tester.

Mycket datainsamling med information kring mått, toleranser, varvtal, inspänningskraft, material och hårdhet, kommer ske från företaget. Den data kommer jämföras med annan data som erhålls från dels konkurrenter till företaget men också från olika studier kring ämnet. Hårdhetsmätning av original, eftermarknad och andra sorters ventillyftare kommer ske.

Originalritningar kommer granskas och hårdheten anpassas mot kamaxeln.

Processen följs därefter av beräkningar för att uppnå den önskade hårdheten i materialet och på så sätt skapa nya koncept, alternativt välja ett nytt lämpligt material för ventillyftare. För att bekräfta att ventillyftaren ska kunna motstå belastningar och påfrestningar kommer ytterligare

hållfasthetsberäkningar utföras.

Efter att beräkningar genomförts ska CAD modeller skapas, vilka testas i simuleringar för att identifiera eventuellt svaga delar. Där efter testas prototyper i dragprovmaskin för att bekräfta dimensioneringen och de krav som fastställts.

Insamlade data processas och analyseras för att väga olika parametrar mot varandra. Efter utvärderingen presenteras olika modeller och kunskapen som erhållits. Detta för att kunna dra slutsatser och påvisa olika

användningsområden för sambanden. Studien ska inte enbart fokusera på konstruktion av ventillyftare, utan även ge en förklarande bild av hur en förbränningsmotor fungerar samt de viktigaste faktorerna som en

motorkomponent med glidkontakt utsätts för. Studien ska även redogöra

kring hur optimering av en konstruktion och ersättning av komponenter i en

förbränningsmotor kan bidra till reducerad bränslekonsumtion, utsläpp och

miljöpåverkan.

(23)

2.12 Forskningskvalitet och etik

Det är av yttersta vikt att kritiskt granska de metoder som används, för att bestämma tillförlitligheten av den data som insamlas för metoden.

Tillförlitligheten eller reliabiliteten, visar på hur en datainsamlingsmetod, eller ett tillvägagångssätt, ger samma resultat vid olika mätningar.

Reliabilitet och validitet brukar nämnas i samma kontext. Dock behöver inte en fråga som är reliabel också vara valid (Bell, 2016). Däremot innebär en hög validitet också en hög reliabilitet. Det går alltså att sammanfatta reliabilitet och validitet som att reliabilitet är att studera på rätt sätt och att validitet är att studera rätt sak (Blomkvist & Hallin, 2019).

Benämningen forskning handlar om sökande efter kunskap genom ett systematiskt studerande och tänkande. Ett tecken som uppvisar på god forskningssed är att författaren baserar sin forskning på grunder och principer för integritet. Det ger i sin tur en god vägledning i forskarens arbete att hantera de etiska och praktiska delarna som är anknutna till att forskning reproduceras (ALLEA – All European Academies, 2018).

● Vid utveckling av forskningsstudier tas hänsyn till de senaste iakttagelserna inom ämnet.

● Forskningsmedel ska användas på ett ansvarsfullt och korrekt sätt

● Utformning, utförande, analysering och dokumentering fakta skall ske på ett noggrant och väl genomtänkt sätt

● Publicering av resultat och tolkningar sker på ett ärligt, transparent och korrekt sätt med respekt för konfidentialitet gällande uppgifter och resultat, när legitima krav finns med i bilden.

● Rapportering av resultat sker på ett överensstämmande sätt gällande den standard som råder över vetenskaps fältet och som tillämpliga fall kan verifieras och reproduceras (ALLEA, 2018).

Det är viktigt för kvaliteten i studien att dess data är valid. Egna mätningar kommer att utföras för att validera att den data vi erhållit från företaget är reliabel i form av hårdhetsmätning och kompressionsprov. I studien kommer också beräkningar på hållfastheten av lyftaren utföras från de data och tilldelade ritningar för att skapa validerade värden på all data.

Genom att tillämpa vetenskapligt bekräftade beräkningsmodeller och

ekvationer, valideras resultaten från beräkningarna med simulering och

tester. För att säkerställa att beräkningar och simuleringar överensstämmer

med verkligheten måste tester av en färdig prototyp genomföras. På grund

av kursens omfattning i tid kommer dock inte koncepten hinna produceras

och testas i verklig applikation. Endast tester på redan tillverkade lyftare

vilka bearbetas kommer att utföras. Studien kommer genomföras på ett

etiskt korrekt sätt där endast vetenskapligt bekräftad teori tillämpas och där

hänsyn tas till tidigare forskning inom området. All data och resultat

(24)

kommer redovisas på ett öppet och transparent sätt även ifall önskat resultat ej uppnås.

Studien kommer även att följa och förhålla sig till de förhållningssätt kring

etik som ALLEA publicerat.

(25)

3.Teori

I detta kapitel presenteras och förklaras relevant teori för att besvara syfte och frågeställningar. Det börjar med en genomgång av förbränningsmotorn och ventilmekanismen för att bättre förstå ventillyftarens roll i motorn.

Vidare följer teori kring material, laster och egenskaper som är avgörande för ventillyftaren. Teorin har, utöver att besvara syftet, även valts för att ge en förklaring kring hur den här typen av förbränningsmotor fungerar samt vilka tekniker som finns och kan användas för att reducera oönskade egenskaper i den här typen av applikationer.

3.1 Förbränningsmotor

Enkelt beskrivet består en traditionell förbränningsmotors funktion av att omvandla volymförändringsarbete till cirkulär rörelse. I motorn finns en vevaxel som roterar och drivs av kontrollerade explosioner, vilket får en kolv att löpa upp och ner i ett cylinderlopp. För att explosionerna ska ske på ett kontrollerat sätt fylls cylindrarna med bränsle och luft samt töms på avgaser med hög precision. Tillförseln av bränsleblandningen samt utlopp av avgaser sker genom ventiler som finns positionerade i toppen av

förbränningskammaren (Lopes m.fl., 2018). Dessa ventiler styrs med hjälp av en roterande kamaxel som förflyttar en ventillyftare och stötstång i vertikal riktning (Nayak m.fl., 2005). Den vertikala rörelsen ändrar riktning med hjälp av en vipparm som pressar en ventil nedåt och frigör flödet in eller ut ur förbränningskammaren. I en stötstångsmotor drivs kamaxeln via en kugghjulsmekanism av vevaxeln. Utväxlingen mellan vevaxeln och kamaxeln är 2:1, vilket halverar rotationen på kamaxeln. Designen av ventillyftet utgörs av kamaxelns profil som till formen påminner om ett ägg.

Rotationen av kamaxeln med tillhörande profil tvingar lyftaren till vertikal rörelse och via en stötstång pressas vipparmens ena ände upp. I andra änden av vipparmen sitter ventilskaftet, vilket pressas åt motgående riktning och ventilen öppnar kanalen in till förbränningskammaren. Nya gaser kan då strömma in eller lämna förbränningskammaren beroende på vilken ventil som öppnas (Bell, 2012). I Figur 4 visas en Volvo B20 motor i

genomskärning. I Bilaga 2 visas fler bilder på hur stötstångsmotorn Volvo B20 ser ut.

(26)

Figur 4: Volvo B20 motor i genomskärning 1) Vevaxel 2) Kamaxel 3) Vevstake 4) Kolv 5) Ventillyftare 6) Stötstång 7) Vipparmsbrygga 8) Vipparm 9) Ventil

3.1.1 Ventillyftare

Ventillyftaren arbetar med en konstant ytkontakt mot kamaxelns profil och nöter mot ytan då motorn arbetar och kamaxeln roterar. För att uppnå ett optimalt slitage, är det av stor vikt att ythårdheten på ventillyftaren är hög, för att minimera risken att lyftaren slits ut i förtid (Lakshminarayanan &

Nayak, 2011). Den nedre kontaktytan av ventillyftaren måste också vara lätt sfärisk. Detta då den konstant ska rotera runt sin egen axel för att minimera slitage på både kamaxel och ventillyftare. Om ventillyftaren inte roterar uppstår punktslitage på ventillyftaren eller kamaxelns profil, vilket leder till att systemet slits för snabbt (Jelenschi, Cofaru, Sandu & Aleonte, 2011).

3.1.2 Energiförluster i ventilmekansimen

För att nå utsläppskraven har fokuset inom bilindustrin valt att fokusera på bränsleekonomi. Relationen mellan friktionsförluster och bränsleekonomi används ofta som ett samband. Reducering av den interna friktionen från förbränningsmotorn har en direkt påverkan på motorns bränsleekonomi.

Ventillyftaren utgör 20–30% av den totala friktionen i motorn och är som

(27)

störst vid låga varvtal då den interna smörjningen är lägst (Kano, 2006).

Genom undersökning av slitage kopplat till ventilmekanism och smörjning är dessa komponenter de svåraste att underhålla och ökar under drifttiden.

Ventillyftare och kamaxlar står för 85–90% av de totala friktionsförlusterna i ventilmekanismen. En förbränningsmotors bränsleeffektivitet kan därför optimeras genom att dessa komponenter undersöks och förbättras för att i sin tur generera en mer driftsäker konstruktion med reducerad friktion (Al- Jeboori m.fl., 2018). För att möta emissionskrav och uppnå en högre total verkningsgrad på förbränningsmotorer är ventilmekanismen en viktig parameter. Traditionella ventilmekanismer inkluderas av kamaxlar med ventilfjädrar, vilka kontinuerligt måste arbeta mot en fjäderkonstant, vilket i sin tur reducerar verkningsgraden. Tröghetsmomentet av ventilmekanismen påverkas av ventillyft och den totala massan. Motorns maximala

vridmoment är beroende av tröghetsmomentet samt den maximala vinkelaccelerationen (Jiang, Liu, Peng & Xu, (2020).

3.2 Material

Material som används i bilmotorer ändras kontinuerligt. Livscykeln för olika komponenter har under senare år därför blivit en parameter av stor vikt vid konstruktion (Lopes m.fl., 2018). Detta gäller både ur ett ekonomiskt samt ur ett miljöperspektiv. Därav är det av yttersta vikt att noga undersöka vilka egenskaper som är avgörande för de olika komponenterna i en motor.

Materialet i förbränningsmotorns komponenter är av stor vikt för att uppnå en optimal funktion, eftersom begränsningar i form av utrymme och krav på höga belastningar råder. Ventilmekanismen med ventillyftarna utsätts för bland annat vibrationer, stötar, friktion, nötning samt utmattning genom höga antal cykler. Materialet måste därför dimensioneras för att besitta en god förmåga att motstå påfrestningarna (Xuan & Shao, 2017).

3.2.1 Gråjärn

Ett material som ofta förekommit historiskt sett i motorer och ventillyftare är gjutjärn, mer specifikt gråjärn. Materialet används tack vare sitt låga pris samt dess gynnsamma egenskaper vid höga temperaturer och utmattning.

Gråjärn går enkelt att härda för att få upp en hårdare yta som har en bra motståndskraft mot nötning (Ferreira, 2002). Gråjärn besitter låg dragbrottgräns men hög tryckbrottgräns. Gråjärn innehar därför bra egenskaper i konstruktioner som utsätts för kompression men ej töjning Leijon, 2014).

(28)

3.2.2 Vitjärn

Vitjärn ett gjutjärn som kan uppnå en väldigt hög hårdhet. I vitjärn utgör kolhalten 3–4% av den totala sammansättningen kombinerat med 1–3%

kisel, vilket tillsammans med en hög kylningshastighet bildar vitjärn. Vid smältans begynnelse liknar sammansättningen gråjärn. Under avsvalning bildas austenit med en kolprocent av 1,8% vid 1175°C. Runt 1140°C erhålls ett eutiktikum av auteniten innehållande 2,05% kol och cementit. Under svalningsprocessen reduceras austenitens kolhalt och ytterligare cementit utskiljs. Austeniten omvandlas sedan vid 720°C, då kolhalten reducerats till 0,8%, till en eutektoid perlit. Slutstrukturen efter svalningen består av perlit och cementit vilket är vitjärnets slutstruktur. Materialegenskaperna utgörs av hög hårdhet och sprödhet. Strukturen i materialet är i färgen vit. Om

svalningshastigheten är långsammare bildas gråjärn där austeniten är kolfattigare och innehåller mer grafit (Leijon, 2014).

Materialegenskaper för Vitjärn visas i Tabell 1.

Tabell 1: Materialegenskaper för vitjärn (Leijon, (2014)

Gjutlegering Drag-brottgräns (MPa)

Förlängning (%) Hårdhet (HB) E-modul, 10

³

xMpa

Vitjärn 230–460 <0,01 400–600 165–450

3.2.4 Verktygsstål

Verktygsstål är ett typ av stål som oftast används för svarvstål, borrar och mätverktyg. De viktigaste egenskaperna för ett verktygsstål är slitstyrka, hårdhet och eggskärpa. Verktygsstål har en relativt hög kolhalt, 0,6–1,2%, vilket medför komplexitet vid bearbetning och svetsning samt att de är dyra och relativt spröda. Ofta legeras verktygsstålet för att motverka vissa brister.

Dessa legeringar kan innehålla krom, nickel, volfram eller molybden. Att legera med krom och/eller volfram höjer både slitstyrkan vid höga kolhalter, genomhärdningen och varmhållfastheten. Volfram ger dessutom en god eggskärpa. Nickel höjer genomhärdningen och förbättrar segheten hos stålet.

Att legera med molybden höjer genomhärdningen samt varmhållfastheten (Leijon, 2014).

3.3 Härdning

Härdning av ett stål innebär att materialet görs hårdare. Processen utförs oftast genom att värma upp stålet till en viss temperatur för att sedan kyla ner det snabbt igen. Denna process medför förändring av mikrostrukturen i materialet. Stål måste ha en kolhalt på minst 0,5–0,6% för att vara härdbart.

Om kolhalten i stålet är lägre finns risk att stålet erhåller lägre hårdhet, då

det i blandningen består ferrit och martensit.

(29)

Det finns många typer av härdningsmetoder beroende på vilket typ av stål som ska härdas och vilket resultat, härdningen förväntas ge. Nitrering är en typ av ythärdningsmetod där stålet nitreras i en kväveavgivande gas vid 510˚C. Kvävet tränger in i ytskiktet och på ytskiktet bildas hårda nitrider.

Behandlingstemperaturen för nitrering är låg och formändringen i stålet närmast obefintlig (Leijon, 2014).

3.4 DLC beläggning

DLC står för Diamond-Like Carbon och är en kolbaserad beläggning med extremt hög hårdhet, låg friktionskoefficient och egenskaper som förhindrar alla former av nötning (Francis & Kumar, 2017). DLC appliceras oftast med plasmaassisterad vakuumförångning kallad PACVD. PACVD är en process där en gas med beläggningselement förs in i en vakuumkammare, varpå en urladdning med elektrisk spänning sker. Det skapar fria väte- och kolatomer vilka fäster sig och skapar en beläggning på arbetsstycket. Med DLC

beläggning och smörjning går det komma ner på en friktionskoefficient under 0.01, vilket kan jämföras med en mellan gjutjärn-gjutjärn som är runt 0.15 (Kano, 2006). Friktionen i ventilmekansimen är den största anledningen till energiförluster i motorn och genom att minska friktionskoefficienten mellan kamaxel och ventillyftare kan motorns effektivitet öka (Dobrenizki, m.fl., 2016).

3.5 Spänning

Spänning i en konstruktion bygger på applicerad kraft genom tvärsnittsarea.

Lasten kan appliceras axialt, vridande eller böjande. Gemensamt för axiella krafter är att dem endast verkar i en dimension. Om krafterna är positiva utsätts kroppen för drag och negativa för kompression. Konstanta laster kallas för statiska krafter och laster som är varierande kallas för dynamiska laster (Juvinall & Marshek, 2012).

3.5.1 Axiella spänningskoncentrationer

Variation av geometrin i en kropp med applicerad kraft leder till

spänningskoncentrationer. För plattor med axiellt applicerade krafter bidrar hål och radier till reducerad tvärsnittsarea. Spänningskoncentration påverkas endast av reducerad tvärsnittsarea vinkelrätt från kraftens riktning. Således kan flera identiska hål appliceras i kraftens riktning utan ökad spänning (Juvinall & Marshek, 2012).

3.5.2 Dubbelradie/Varierande radie

Hål, ansatser och kanter är avgörande för en konstruktions hållfasthet då de

utgör spänningskoncentrationer (Juvinall & Marshek, 2012). Det finns

tekniker för att drastiskt reducera dessa spänningskoncentrationer. Dessa

(30)

tekniker innefattar att en mer komplex form för ansatser eller hål.

Varierande radier är en teknik vilket bidrar till betydligt lägre

spänningskoncentrationer jämfört med en konstant eller enkelradie (Taylor, Kelly, Toso & Susmel, 2011). Detta kan beskrivas genom addering av material på de ställen vid ett hål eller en ansats där

spänningskoncentrationen är som störst. Kraften som belastar konstruktionen får en mjukare passage vilket medför att

spänningskoncentrationen reduceras, i vissa fall ner mot 1.14 (De Castro m.fl., 2016).

3.6 Töjning och kompression

Kompression och dragspännings-kurvor har generellt spegelvänd karaktär vid drag och kompression. Olika materialegenskaper kan definieras från de initiala delarna elasticitetsmodul och sträckgräns (Hosford, 2009).

Kompression skiljer sig från töjning när brottgränsen studeras. Figur 5 visar spänning-töjningskurva för både drag och kompression. När spänningen passerar sträckgränsen börjar provstavens beteende att skilja sig. Under dragspänning minskar tvärsnittsarean. Detta inträffar dock inte vid

kompression där det får motsatt effekt och tvärsnittsarean fortsätter att öka i diameter. Kompressionsspänningen ökar utan att visa ett maximum.

Sammanfattningsvis är provstavens förmåga att motstå sprickbildning

istället ersatt av brottgränsen. Måttligt duktilt och sprött material spricker

vid kompression men många av de duktila materialen och polymererna

kommer aldrig att spricka. Istället deformeras de materialen till en allt större

och tunnare form, likt en pannkaka tills de erforderliga testkrafterna når

nivåer att testet måste avbrytas. Brott där kompression inträffar är ofta

förknippat med skjuvspänning och redan befintliga frakturer i provstaven

(Dowling m.fl., 2019).

(31)

Figur 5: Töjning- och kompressionskurva

3.7 Knäckning

Enligt Junival & Marshek (2012) kan rundstavar och andra avlånga

geometriers förmåga att böjas vid kompression beräknas av Eulers ekvation.

Knäckning illustreras i Figur 6.

Figur 6: Hur en stång beter sig vid knäckning

Funktionen bygger på att geometrin är helt rak och att lasten enbart är axiellt riktad samt befinner sig i den elastiska zonen. Maximal tillåten last kan då avgöras med Eulers Ekvation:

𝑃

_𝑐𝑟

=

^𝜋²^𝐸𝐼

𝐿_𝐸²

(1)

(32)

Om den axiella lasten P är större än 𝑃

_𝑐𝑟

kommer konstruktionen att ge upphov till ett böjmoment större än den elastiska sträckgränsen vilket resulterar i plasticering eller brott.

3.8 Utmattning

Komponenterna i en bilmotor måste nå upp till flertalet olika krav, bland annat ska de ha ett marknadsmässigt pris samt vara säkra och tillförlitliga.

En förbränningsmotor roterar med flera tusen varv per minut. De mekaniska komponenterna utsättas därmed för höga varvtal och belastas med extremt många cykler, vilket ställer höga krav på tillförlitligheten (Jimenez, m.fl.

2014). Den cykliska töjning och kompression kommer leda till skador på komponenterna, vilket vidare kommer leda till sprickbildning (Brusa, Ossola, Bonavolonta & Mazzetto, 2020). Vid konstruktionen av dessa komponenter är beräkningar av utmattning en viktig parameter. Utvärdering av utmattning görs oftast genom tester och mätning med bland annat

ultraljud (Xue, Bayraktar & Bathias, 2006).

Ett viktigt beräkningsverktyg för livslängden av komponenter som utsätts för höga antal cykler är S-N kurvor. En S-N kurva är en graf som redogör relationen mellan spänning och utmattning (Gere & Goodno, 2012). Antalet cykler ett material kan utsättas för vid en viss belastning kan där av

fastställas med hjälp av verktyget (Zu, Kang, Ven & Chen, 2020). I en konfiguration där komponenterna utsätts för varierande laster kan

utmattningen beräknas med Palmgren-Miners sats. Sambandet redogör för hur många gånger en viss belastning utsätts för i relation till hur många gånger den utsätts för just den lasten (Hosford, 2009). Med hjälp av Palmgren-Miner kan fastställandet av antalet cykler en komponent kan utsättas för under varierande belastningar beräknas (Dowling, Kampe &

Kral, 2019).

3.9 Nötning och kontakttryck

Tribologi är den vetenskapliga termen för ytor som är i glidande eller rullande kontakt med varandra vilket innefattas av friktion, nötning och smörjning. Tribologi är ytterst viktigt inom maskinteknik och berör flera olika områden som hållfasthetslära och materialvetenskap (Chattopadhyay, 2001).

Nötning är ett resultat av sambanden mellan kontakttryck, hårdheten på ytan, glidhastighet, ytjämnhet, typ av smörjmedel och tjocklek på oljefilmen.

Ovan nämnda parametrar har därför en direkt påverkan på slitaget av komponenterna när de är i kontakt med varandra (Lakshminarayanan &

Nayak, 2011). Nötning kan antingen bero på att två ytor i kontakt skadar

varandra eller att partiklar mellan två komponenter skadar och bryter bort

små delar på ytorna (Chattopadhyay, 2001). Den generella formen av

nötningsekvationen är i direkt relation till hårdheten eller brottgränsen i den

mjukare av de två komponenterna i kontakt. Det finns olika typer av nötning