EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK, Konstruktion, Högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017
En energibesparande
oljepump
- Produktframtagning
Energibesparing genom frikoppling
av motorn och pumpens varvtal
SIMON BERGMAN
VENDELAH TENENBAUM SVENGREN
En energibesparande oljepump
- Produktframtagning
av
Simon Bergman
Vendelah Tenenbaum Svengren
Examensarbete TMT 2017:21
KTH Industriell teknik och management
Tillämpad maskinteknik
Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje
Examensarbete TMT 2017:21
En energibesparande oljepump
- Produktframtagning
Simon Bergman
Vendelah Tenenbaum Svengren
Godkänt
2017-06-07
Examinator KTH
Mark W. Lange
Handledare KTH
Pieter Grebner
Uppdragsgivare
ISR MC AB
Företagskontakt/handledare
Acke Rising
Sammanfattning
Oljepumpen drivs uteslutande mekaniskt på existerade motorer i fordonsbranschen. Utformningen är ofta överdimensionerad för att klara av de värsta förhållandena, men den mesta av drifttiden stjäl den mer effekt och levererar väsentligt högre oljeflöde än nödvändigt. För att undvika överdrivet högt
oljetryck ventileras överskottet tillbaka till reservoaren utan att göra nytta i motorn. Detta onödiga arbete resulterar i minskad nyttig effekt hos motorn och ökar dess bränsleförbrukning.
För att bemöta denna problematik har projektet gått ut på att konstruera, utforma och ta fram en
oljepump till motorn vars varvtal är frikopplat från motorns varvtal genom elektrisk drivning. Uppdraget utförs på uppdrag av ISR MC AB som tillverkar komponenter till motorcyklar.
Arbetet innefattar grundläggande teori om bland annat smörjsystem och olika pumptyper. Utifrån teorin och beräkningar utvecklas koncept och en drivenhet väljs ut. Koncepten utvecklas också med hänsyn till tillverkningsresurserna i en verkstad. Slutligen tillverkas och testas en prototyp av det mest lovande konceptet.
Prototypen påvisar att konceptets delsystem fungerar. Pumpprototypen levererar oljetryck på konstant nivå inom de önskade gränserna. Bearbetningstekniska åtgärder rekommenderas för att höja dess prestanda.
Nyckelord
CAD, produktutveckling, produktframtagning,oljepump, CNC, smörjning, kugghjulspump,
oljetryck, motorcykel, racing
Bachelor of Science Thesis TMT 2017:21
An Energy efficient oil pump
- Product development
Simon Bergman
Vendelah Tenenbaum Svengren
Approved
2017-06-07
Examiner KTH
Mark W. Lange
Supervisor KTH
Pieter Grebner
Commissioner
ISR MC AB
Contact person at company
Acke Rising
Abstract
The oil pump is driven exclusively mechanically on existing engines in the automotive industry. The design is often oversized to cope with the worst conditions but most of the operation time it uses more power and delivers
significantly higher oil flow than necessary. To avoid excessive oil pressure, the excess is vented to the reservoir without any benefit for the engine. This unnecessary work results in a reduced useful power of the engine and increases its fuel consumption.
In order to address this problem, the project involves designing and developing an oil pump for the engine whose operating speed is decoupled from engine speed by the use of an electric drive. The assignment is carried out on behalf of ISR MC AB, which manufactures components for motorcycles.
The work includes basic theory of lubrication systems and different pump types. Based on the theory and calculations concepts are developed and a drive unit is chosen. The concepts are also developed considering the manufacturing resources of a workshop. Finally, a prototype of the most promising concept is manufactured and tested.
The prototype shows that the subsystems of the concept work. The pump prototype delivers constant oil pressure within the desired limits. Manufacturing measures are recommended to increase its performance.
Key-words
CAD, product development, oil pump, CNC, lubrication, gear pump, oil pressure, motorcycle,
racing
Förord
Projektet har utförts som examensarbete omfattande 15 hp inom konstruktion våren 2017.
Examensarbetet avslutar utbildningen Högskoleingenjör inom maskinteknik med inriktning innovation och design, omfattande 180 hp vid Kungliga tekniska högskolan i Södertälje. Arbetet har utförts i sammarbete med ISR MC AB och vi tackar Acke Rising med medarbetare som bidradit till många nya insikter inom tillverkningsanpassad konstruktion. Vi tackar även vår handledare på KTH, Pieter Grebner för god handledning.
Simon Bergman & Vendelah Tenenbaum Svengren Södertälje 2017-06-02
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problembeskrivning ... 1
1.3 Mål ... 1
1.4 Avgränsningar ... 1
2 Metod ... 3
3 Grundläggande teori ... 5
3.1 Motorolja och dess egenskaper ... 7
3.2 Oljetryck ... 8
3.3 Pumptyper ... 8
3.3.1 Externa kugghjulspumpar ... 8
3.3.2 Interna kugghjulspumpar ... 9
3.3.3 Vingpumpar ... 10
3.4 Oljepumpens placering och miljö ... 11
3.5 Önskvärd pumpeffekt... 12
3.6 Elmotorer ... 15
3.6.1 Elmotorer med borstar ... 15
3.6.2 Borstlösa elmotorer ... 16
4 Genomförande ... 19
4.1 Pumptyper ... 19
4.2 Principer för volymflödesreglering ... 21
4.3 Konceptutveckling ... 22
4.3.1 Koncept 1 ... 25
4.3.2 Koncept 2 ... 27
4.4 Realisering av prototyp ... 31
4.4.1 Beredning ... 31
4.4.2 Bearbetning ... 33
4.5 Testning ... 40
5 Resultat ... 45
6 Slutsats ... 47
7 Diskussion ... 49
8 Rekommendationer ... 51 Referenslista ...
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Projektet utförs på uppdrag av ISR MC AB som tillverkar komponenter till motorcyklar. De tillverkar idag främst bromsar och har en framgångsrik historia inom motorsport. Trots deras förhållandevis småskaliga produktion med fem anställda och en verkstad belägen på en villatomt i Tumba genomför de ofta ambitiösa projekt drivna av passion vid sidan av huvudverksamheten. Just nu utvecklar de bland annat en trecylindrig motorcykelmotor av W-formation. Vår uppgift är att ta fram en oljepump till denna.
På existerade motorer i fordonsbranschen drivs oljepumpen uteslutande mekaniskt. Utformningen är ofta överdimensionerad för att klara av de värsta förhållandena, men den mesta av drifttiden stjäl den mer effekt och levererar väsentligt högre oljeflöde än nödvändigt. För att undvika överdrivet högt oljetryck ventileras överskottet tillbaka till reservoaren utan att göra nytta i motorn. Detta onödiga arbete resulterar i minskad nyttig effekt hos motorn och ökar dess bränsleförbrukning.
För att bemöta denna problematik går uppdraget ut på att konstruera och utforma en oljepump till motorn vars varvtal är frikopplat från motorns varvtal. Uppdragsgivaren föreslår elektrisk drivning istället för den konventionella lösningen.
Förhoppningen med arbetet är att ta fram en fungerande pump. På vägen dit krävs prototypande och testande för att bekräfta konceptets funktion. På företaget finns goda praktiska möjligheter att framställa de komponenter som krävs för uppgiften i form av CNC-styrda verktygsmaskiner.
1.2 Problembeskrivning
Arbetet går ut på att undersöka om förlusterna i samband med oljepumpsdrivningen kan minskas genom att använda en extern elmotor istället för den konventionella lösningen. Förhoppningen är att elmotorns effekt lättare kan regleras efter behov och på så vis eliminera behovet av övertrycksventilen och onödigt arbete.
En annan fördel med en elektriskt driven oljepump som ska undersökas är att möjligheten att trycksätta smörjsystemet trots att motorn står stilla och på så vis minska slitage vid start.
För att säkerställa kvaliteten hos arbetet inleds det med en faktainsamling som behandlar smörjsystem, elektrisk drivning och dess parametrar.
1.3 Mål
• Ta fram en fysisk och fungerande oljepump
• Värdera principer för att reglera oljepumpens effekt
• Undersöka vilka pumptyper som är relevanta, dess egenskaper och värdera dessa
• Konsekvenser vid driftstörningar hos smörjsystemets komponenter ska utredas och minimeras
1.4 Avgränsningar
En mekaniskt driven oljepump med variabelt volymflöde (VDOP) vid givet varvtal kommer inte att utvecklas. Denna teknik kommer dock att användas som referens när den elektriska pumpens egenskaper värderas.
Oljepumpens förmåga att minska slitage vid starter kommer inte att bekräftas genom testning eftersom det inte är huvudsyftet med pumpen och projektets resurser fördelas därför till andra aktiviteter.
2 Metod
För att ta fram en oljepump till en förbränningsmotor krävs insikt om egenskaperna hos de ingående komponenterna. Denna faktainsamling sker genom sökning i databaser med vetenskapliga
publikationer, litteratur och genom intervjuer med sakkunniga.
För att värdera resultatet från faktainsamlingen används utvärderingsmatriser.
För att arbeta fram en modell av ett fungerande koncept används CAD. Under utarbetandet av konceptet utförs en feleffektsanalys för att analysera risken för driftstörningar och konsekvenser av dessa.
För att realisera modellen bearbetas den fram i CNC-styrda och/eller manuella verktygsmaskiner och handverktyg.
Motorn är under utveckling, där av kan pumpen inte testas på den tilltänkta motorn inom ramen för detta arbete. En eller flera testriggar där anpassade och varierade tester kan utföras utvecklas istället och används för att bekräfta prototypens funktioner och egenskaper.
3 Grundläggande teori
Kapitlen nedan innehåller beskrivningar av de ingående komponenterna och dess egenskaper på komponentnivå.
Smörjsystemet i en motor har till uppgift att minska friktion, slitage och eliminera risken för haveri.
Detta uppnås genom att introducera en oljefilm mellan alla metallytor som rör sig i förhållande till varandra. (Sully, 1988)
De första motordrivna fordonen hade ingen oljepump utan motorns komponenter smörjdes genom att låta vevaxeln doppa ner i oljan och stänka den omkring sig (Figur 1). Denna förseddes ofta med en skopa för att förbättra smörjningen. En del av oljan som slungades upp leddes med gravitationens hjälp genom kanaler som försåg motorns lager med olja. (Nunney, 1992)
Figur 1 Pump med stänksmörjning (Sully, 1988)
För att förbättra smörjningen i vevaxelns lagring adderades senare en oljepump som försåg dessa med trycksatt olja. Resterade lagringar försågs fortfarande med oljan som stänktes från vevaxeln. (Nunney, 1992)
Med ökande krav på belastning och hastighet som lagren förväntades klara av utvecklades
smörjsystem med trycksatta kanaler till alla lager i motorn (Figur 2). Det ökade oljeflödet bidrog även kraftigt till kylningen av lagren. När oljan passerat lagren rinner den till botten av vevhuset. (Nunney, 1992)
Figur 2 Smörjsystem med trycksatta kanaler (Nunney, 1992)
Det finns två principer för att hantera oljan i vevhuset, våt- och torrsumpsystem. I ett våtsumpsystem låter man all olja vara kvar i botten på vevhuset. Det är sedan därifrån den pumpas till de trycksatta kanalerna. (Nunney, 1992)
Denna rapport behandlar ett torrsumpsystem vilket innebär att oljan i botten på vevhuset pumpas till en separat reservoar. Från denna reservoar pumpas sedan oljan in i systemet igen på samma sätt som den i våtsumpsystem pumpas från vevhusets botten. Figur 3 beskriver en kraftig förenkling av oljans flöde i dessa två system. (Nunney, 1992)
[Ange ett citat från dokument et eller
Figur 3 Oljans flöde i torr- och våtsumpsystem
Användande av torrsumpsystem har flera fördelar, speciellt i högprestandatillämpningar där oljan risker att kastas runt i vevhuset. Eftersom vevhuset inte behöver rymma lika mycket olja kan dess storlek minskas och vilket sänkertyngdpunkten. Den minskade mängden olja i vevhuset minskar även det viskösa motståndet på vevaxeln vilket ökar motorns effektivitet. Oljan förvaras istället i
reservoaren som kan placeras på valfri plats vilket ökar flexibiliteten hos systemet och medger även att mer olja kan användas vilket underlättar oljekylningen. Då oljan kastas runt i ett våtsumpsystem riskerar man att oljepickupen suger luft och trycker luft genom systemet istället för olja. Detta är lättare att undvika i torrsumpsystem då oljan pumpas från en välfylld reservoar. (Nunney, 1992) Anledningen till att våtsumpsystem är vanligare är att systemet är mindre komplext och billigare att producera.
3.1 Motorolja och dess egenskaper
Motoroljan i en motor har flera uppgifter än att bara minska friktionen mellan komponenter. Den ska även kyla, rengöra, täta och hindra uppkomsten av korrosion. Oljan har en kylande och rengörande effekt genom att den transporterar bort värme och smutspartiklar från utsatta områden. Den förhindrar korrosion genom att skapa en skyddande oljefilm på delarna. (Nunney, 1992) Oljans viskositet är en viktig egenskap som påverkar beteendet vid olika temperaturer. Vid höga temperaturer behöver den ha förmågan att kunna bibehålla bildandet av en smörjfilm samtidigt som den måste vara pumpbar även vid låga temperaturer.
SAE-systemet är en beteckning som beskriver dessa flytegenskaper. Systemet bygger på att oljan får en siffra för hur trögflytande den är vid kallstart och hur lättflytande den är då den är varm. (Nunney, 1992) Oljan som används i denna tillämpning har märkningen 10W-40 enligt SAE-systemet. Det betyder att viskositeten är 12,5-16,3 cSt (centistoke) vid 100 °C (OK-Q8 AB, u.å). Densiteten hos oljan ligger runt 850 kg/m³ vid 15 °C. (Biltema, u.å.)
3.2 Oljetryck
Oljetrycket uppstår av motstånd i smörjsystemet och inte av pumpen i sig som är en vanlig
missuppfattning. Motståndet i detta system består exempelvis av smörjpunkter i form av lagerspel i lagren och sprutmunstycken. Eftersom oljans viskositet varierar med temperaturen varierar även motståndet med denna. Uppdragsgivaren önskar konstant tryck in i motorn. På klassiskt vis erhålls detta med hjälp av en övertrycksventil som öppnar vid ett bestämt tryck och styr flöde från pumpens utlopp tillbaka till inloppet. Flödet genom övertrycksventilen minskar när motståndet i smörjsystemet minskar exempelvis vid ökad temperatur eller ökade lagerspel till följd av slitage.
3.3 Pumptyper
I projektet behandlas roterande pumpar som främst kan delas in i interna- och externa kugghjulspumpar.
3.3.1 Externa kugghjulspumpar
Den typiska externa kugghjulspumpen (Figur 4) består av två kugghjul i ett omslutande hölje. Det ena kugghjulet är fäst på en drivande axel och driver det andra som roterar på en tapp i höljet. Tänderna är grova och sitter ofta glest för att minimera kugghjulens bredd. Som Figur 4 visar kommer oljan in genom inloppet, transporteras mellan kugghjulens tänder och höljets väggar för att sedan tryckas ut genom utloppet. Kugghjulen är hela tiden i ingrepp mot varandra vilket hindrar oljan från att läcka tillbaka till inloppssidan. (Nunney, 1992)
Figur 4 Den externa kugghjulspumpens funktion (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012) Egenskaper
• Rakskurna kugghjul är vanligast och lättast att tillverka men önskas tystare gång kan dyrare snedskurna användas
• Under optimala förhållanden kan den volymetriska verkningsgraden vara uppemot 93%
• Försämrad verkningsgrad vid låga hastigheter
• Är bra på att stå emot partiklar i oljan (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Lobpumpen (Figur 5) är också en extern kugghjulspump. Den använder samma princip som den klassiska kugghjulspumpen för att transportera oljan men kugghjulen är ersatta av rotorer med lober.
Båda rotorerna är också drivna av en växel på utsidan av höljet. Denna ser också till att de går i takt.
(Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Figur 5 Lobpumpens funktion (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
3.3.2 Interna kugghjulspumpar
Den interna kugghjulspumpen (Figur 6) består av en mindre, excentriskt monterad, drivande rotor inuti en större driven. Kuggarna på den interna kugghjulspumpens rotorer liknar egentligen lober mer än kuggar. Antalet lober på den yttre rotorn är oftast en (1) mer än på den inre. Oljan sugs in genom inloppet som består av en njurformad ficka. Vid inloppet ökar den instängda volymen mellan den inre rotorns lobtoppar och den yttre rotorn. Vid det njurformade utloppet sker förloppet omvänt vilket trycker ut oljan ur pumpen. (Nunney, 1992)
Ett annat utförande av en intern kugghjulspump innehåller även en halvmåneformad tätning mellan den inre och den yttre rotorn (Figur 6). Mellan rotorerna är skillnaden i antalet kuggar mer än en (1).
Oljan sugs in då kuggarna går ur ingrepp transporteras till utloppet mellan halvmåneformen och kuggarna hos de båda rotorerna. Oljan trycks sedan ut genom utloppet då volymen minskar när kuggarna återigen går i ingrepp. (Nunney, 1992) (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Figur 6 Interna kugghjulspumpar och deras funktion (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012) Egenskaper
• Pumptypen är mer kompakt än externa kugghjulspumpar
• Tystare gång än externa kugghjulspumpar eftersom färre tänder är i ingrepp (Nunney, 1992)
• Har alltid glidkontakt mellan kugghjulen
• Utförandet utan halvmåne har högre volymetrisk verkningsgrad vid låga hastigheter än utförandet med halvmåne
• I helhet ligger den volymetriska och totala verkningsgraden i samma intervall som de externa kugghjulspumparna
• Högre känslighet för partiklar i oljan än de externa kugghjulspumparna (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
3.3.3 Vingpumpar
Vingpumpen består i sitt enklaste utförande (Figur 7) av en excentriskt monterad rotor med vingar som kan glida ut radiellt mot ett cirkulärt hölje. Detta utförande kallas obalanserad vingpump (Figur 7). Pumpen åstadkommer en volymökning vid inloppet som möjliggör att vingarna kan glida ut och agera skovlar som transporterar oljan framåt. Vid utloppet sker en volymminskning och oljan trycks ut medan vingarna glider in i sitt inre läge eftersom de hela tiden följer höljets vägg. (Editors of
Hydraulics & Pneumatics , 2012) (Nunney, 1992)
Figur 7 Obalanserad vingpump (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Egenskaper
• Ger kontinuerligt oljetryck i motsats till det pulserande i kugghjulspumpar (Nunney, 1992)
• Rotationshastigheter under 600 rpm rekommenderas inte om inte andra medel än centrifugalkraften trycker vingarna mot höljet
• Hög effektivitet under lång tid då fjädringen kompenserar för slitage eftersom vingens ände trycks mot höljet
• Relativt höga verkningsgrader
• Liten storlek i förhållande till output
• Relativt god smutstolerans
(Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Vingpumpen finns även i andra utföranden, balanserad (Figur 8) och obalanserad med variabel pumpvolym (Figur 9). Den balanserade har ett elliptiskt hölje och centrerad rotor. Denna design medger dubbla in- och utlopp vilka gör att pumpkrafterna tar ut varandra. (Editors of Hydraulics &
Pneumatics , 2012)
Figur 8 Balanserad vingpump (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
Den obalanserade variabla vingpumpen kan variera den pumpade volymen genom att flytta höljet i förhållande till rotorn så att volymskillnaderna i pumpen varieras. (Editors of Hydraulics &
Pneumatics , 2012)
Figur 9 Obalanserad vingpump med variabel pumpvolym (Editors of Hydraulics & Pneumatics , 2012)
3.4 Oljepumpens placering och miljö
Pumpen ska placeras framför motorcykelns motor, antingen på ramen eller direkt mot motorns framsida. Eftersom motorcykelns motor inte är helt färdigutvecklad finns viss flexibilitet i
monteringen och enhetens maximala volym. Gränssnitten förutom montering innefattar anslutningar
för oljans evakuering ur vevhuset, inlopp till oljereservoaren, utlopp ur reservoaren och tryckanslutningen till motorns oljegalleri.
Motorcykeln brukas i utomhusklimat vilket ställer krav på konstruktionens beständighet mot damm, smuts och väta. Placeringen är extra utsatt eftersom vatten och smuts kastas upp från framhjulet i detta område och pumpen sitter helt blottad för regn.
3.5 Önskvärd pumpeffekt
För att beräkna den effekt som går åt för att driva pumpen används Bernoullis teori om rörströmning [3:1] eftersom smörjsystemet är ett slutet system.
𝑚𝑚 ∙ 𝑔𝑔 ∙ ℎ +𝑚𝑚∙𝑝𝑝𝜌𝜌1+𝑚𝑚∙𝑣𝑣212 = 𝑚𝑚 ∙ 𝑔𝑔 ∙ ℎ2+𝑚𝑚∙𝑝𝑝𝜌𝜌2+𝑚𝑚∙𝑣𝑣222= 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘. [3:1]
Teorin indelar energin i tre former vilka beskrivs med följande ekvationer:
• Rörelseenergi= 𝑚𝑚∙𝑣𝑣22[J] [3:2]
• Tryckenergi= 𝑝𝑝 ∙ 𝑉𝑉 = 𝑝𝑝 ∙𝑚𝑚𝜌𝜌 [J] 𝑑𝑑ä𝑟𝑟 𝜌𝜌 = 𝑣𝑣ä𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑡𝑡𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘 [3:3]
• Lägesenergi= 𝑚𝑚 ∙ 𝑔𝑔 ∙ ℎ [J] [3:4]
Formel 3:1 beskriver förlustfri strömning. Om strömningen är laminär kan förluster i de flesta fall försummas. Strömningen övergår från laminär till turbulent vi en kritisk hastighet för ett givet tvärsnitt. Denna kan beräknas ur Reynold’s formel [3:5]. Strömningen övergår till turbulent då Reynold’s tal överstiger 2320 för cirkulära tvärsnitt. (Dahlvig, 1998) (Holmberg, 2017)
𝑅𝑅𝑑𝑑 =𝑣𝑣×𝑑𝑑𝜈𝜈ℎ [3:5]
𝐷𝐷ä𝑟𝑟 𝑅𝑅𝑑𝑑 = 𝑅𝑅𝑑𝑑𝑅𝑅𝑘𝑘𝑘𝑘𝑅𝑅𝑑𝑑´𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑡𝑡𝑅𝑅, 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑅𝑅ö𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑟𝑟𝑅𝑅𝑑𝑑𝑘𝑘 𝑣𝑣 = 𝑚𝑚𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑅𝑅ℎ𝑡𝑡𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑔𝑔ℎ𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘 𝑑𝑑 𝑟𝑟ö𝑟𝑟𝑘𝑘𝑣𝑣ä𝑟𝑟𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘 𝑑𝑑 𝑚𝑚/𝑘𝑘 𝑑𝑑ℎ= 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑘𝑘 ℎ𝑅𝑅𝑑𝑑𝑟𝑟𝑡𝑡𝑅𝑅𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑡𝑡𝑚𝑚𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑟𝑟𝑘𝑘 𝑑𝑑 𝑚𝑚
𝜈𝜈 = 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑚𝑚𝑡𝑡𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑡𝑡 𝑣𝑣𝑑𝑑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘 𝑑𝑑 𝑚𝑚2/𝑘𝑘
Trycket och flödet är alltså dimensionerande för effektåtgången. Uppdragsgivarens krav på trycket är 3-4 kg/cm² vilket motsvarar ungefär 300-400 kPa. Tillsammans med uppdragsgivaren fastställs att pumpen skall dimensioneras för 300kPa. Flödet beror på motståndet i systemet (som beskrivet i kap.
3.2). Eftersom motorn inte är tillverkad fastställs detta genom att undersöka vilka flöden som uppstår i motorer med liknade motstånd. Flödet dessa motorer har vid tomgång anses tillräckligt för motorns hela varvtalsregister. Tomgångsflödet hos två olika motorcykelmotorer beräknas ur uppmätta data och redovisas nedan.
Yamaha R6 årsmodell 2003-2004: 4,37 l/min vid 1300rpm (McKenna, McKeown, Sloan, McCullough,
& Cunningham, 2011)
Honda CBR600: 5l/min vid 1200rpm (Carr & Rogozinski, 2003)
Utifrån dessa data fastställs det erfordrade flödet till 4,5-5l/min. Med dessa data kan effektbehovet beräknas ur fyra variabler; rörelseenergi, tryckenergi, lägesenergi och förluster.
Som ovan nämnt kan förluster i de flesta fall försummas då strömningen är laminär. Med konstant flöde på 5l/min och en kinematisk viskositet på 12,5 cSt kan förhållandet mellan Reynolds tal och flödets tvärsnitt beskrivas enligt Figur 10.
Figur 10 Förhållandet mellan Reynolds tal och flödets tvärsnittsdiameter
Tvärsnittet beräknas vara större än 5 mm fram till tryckmätningspunkten varför förluster i systemet försummas.
Vidare undersöks rörelseenergins påverkan på effektbehovet. Då formel 3:2 deriveras med avseende på tiden erhålls sambandet för detta. Då ersätts massan av massflödet i formeln. Figur 11 beskriver sambandet mellan oljeflödets tvärsnittsdiameter och effektbehovet det kräver vid ett flöde av 5l/min och en oljedensitet på 850kg/m³.
Figur 11 Erfordrad effekt för att transportera olja vid angivet flöde och varierande tvärsnittsdiameter 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
R ey n ol ds t al
Slangdiametrar (innerdiameter i mm)
Rynolds tal vid varierande
slangdiametrar
Reynolds tal Kritiskt värde för laminär strömning
0 5 10 15 20 25 30
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Effekt [W]
Flödets tvärsnittsdiameter
Effektbehov för rörelseenergi
Vid mindre tvärsnittsdiameter på flödet än 2 mm ökar effektbehovet kraftigt. Vid 1 mm krävs
exempelvis drygt 400 W men så länge flödets tvärsnittsdiameter är större än ca 4,5 mm krävs mindre än 1 W. Eftersom oljeflödets diameter beräknas vara större än 5mm fram till den dimensionerande mätpunkten försummas även effekten som går år till att skapa rörelseenergi.
Effekten som går åt till att skapa tryckenergi erhålls genom att derivera [3:3] med avseende på tiden.
Då ersätts volymen av volymflödet. Figur 12 visar att det går åt 25 W för att pumpa 5l/min vid ett tryck av 300 kPa. Effektbehovet ökar sedan proportionellt mot volymen med 5 W för varje l/min i flöde.
Figur 12 Förhållandet mellan effekt och volymflöde vid konstant tryck
Det finns inga stora höjdskillnader i systemet men även denna faktor undersöktes med Bernoullis samband. Då [3:4] deriveras med avseende på tiden ersätts massan av massflödet i formeln och då erhålls effektbehovet för att pumpa vätska över en höjdskillnad. Figur 13 beskriver detta vid ett flöde av 5l/min och en densitet hos oljan på 850kg/m³.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Effekt [W]
Volymflöde [l/min]
Effektbehov för tryckenergi
Figur 13 Förhållandet mellan effektbehov och höjdskillnad
Effektbehovet ökar proportionellt med höjdskillnaden men är försumbart även vid en höjdskillnad av 2 meter vilket är högst osannolikt på en motorcykel.
3.6 Elmotorer
Elmotorn ska kunna driva pumpen innan motorn är igång vilket begränsar urvalet till elmotorer som kan drivar på likströmmen från motorcykelns batteri. Detta innebär att endast likströmsmotorer på 12 V undersöks. Vidare önskas en motor en som är så liten och lätt som möjligt.
3.6.1 Elmotorer med borstar
En elmotor med borstar (Figur 14) består av en rotor med lindningar som kallas för ankare och ett hölje med permanenta magneter. Lindningarna är kopplade till kommutatorn som spänningssätts via borstarna. Detta får lindningarna att uppföra sig som elektromagneter och får rotorn att rotera. Under rotationscykeln glider borstarna mot kommutatorn och ser till att rätt spolar får spänning. (SL
Montevideo Technology Inc, u.å.)
Figur 14 Elmotor med borstar i genomskärning (Kowalewsky, 2000) 0
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16
0 0,5 1 1,5 2
Effekt [W]
Höjdskillnad [m]
Effektbehov för höjdskillnad
Magneter
Kommutator Borstar
Ankare och lindningar
Egenskaper
• Låg tillverkningskostnad
• Okomplicerad och billig styrning
• Ingen motorstyrning krävs för konstanta hastigheter
• Regelbundet underhåll krävs
• Dålig värmeledning på grund av att rotorn är inkapslad
• Lägre maxhastighet på grund av borstarnas mekaniska begränsning (SL Montevideo Technology Inc, u.å.)
3.6.2 Borstlösa elmotorer
Istället för borstar och kommutator har borstlösa elmotorer en elektronisk motorstyrning för att kontrollera vilken lindning som ska spänningssättas. Detta eliminerar underhållet som borstarna kräver när de slits ut. Till skillnad från borstade elmotorer är det istället magneterna som roterar och lindningarna som är statorn. Två utföranden av borstlösa elmotorer är ”inrunners” (Figur 15) och
”outrunners” (Figur 16). Inrunners har rotorn på insidan och outrunners på utsidan av lindningarna.
(Titus, 2012) (BAYRAKTAR & BALIK, 2015)
Figur 15 Borstlös elmotor av typen inrunner (Velineon 3500 Overview, u.å.) Magneter
Lindningar
Figur 16 Borstlös elmotor av typen outrunner (Brushless motors - how they work and what the numbers mean, u.å.)
Egenskaper
• Lång livslängd
• Mindre underhåll krävs då den inte har borstar
• Hög verkningsgrad
• Hög effekt i för hållande till storlek
• Högre hastighet möjlig eftersom ingen mekanisk begränsning orsakas av borstar
• Bra värmeavledning
• Högre tillverkningskostnad än elmotorer med borstar
• Krävs en motorstyrning för att driva motorn
(El-samahy & Mohamed, 2016) (SL Montevideo Technology Inc, u.å.) Lindningar
Magneter
4 Genomförande
Det kapitel 4 behandlar hur ett koncept arbetas fram, hur en prototyp av konceptet framställs och avslutningsvis tester av prototypen.
4.1 Pumptyper
Utöver de grundläggande kraven på att pumpen ska vara driftsäker och ha en lämplig utformning för att monteras på en motorcykel värderas dess egenskaper högt:
• Hög verkningsgrad
• Låg vikt
• Paketering (Lämplig utformning för placering)
• Tillverkningsbarhet med uppdragsgivarens resurser
Hydrauliska pumpar har en volymetrisk och en mekanisk verkningsgrad. Dessa sammanvägs till en allmän verkningsgrad genom att multiplicera dem med varandra. Den volymetriska verkningsgraden definieras som kvoten mellan det faktiska flödet vid ett givet tryck och det teoretiska. Det teoretiska bestäms genom att multiplicera pumpens deplacement per varv med varvtalet. (Casey, 2011) Den mekaniska verkningsgraden bestäms genom kvoten mellan det teoretiska momentet och det faktiska momentet som krävs för att driva pumpen. En pump med 100 % mekanisk verkningsgrad skulle innebära att det inte krävs något moment alls att driva den vid nolltryck vilket inte är möjligt på grund av friktion. (Casey, 2011)
Figur 17 redogör för typiska allmänna verkningsgrader för olika pumptyper. I figuren förekommer även kolvpumpar som inte bedöms relevanta för projektet.
Figur 17 Typiska värden på den sammanlagda verkningsgraden hos pumptyper (Casey, 2011) Pumptypernas vikter bedöms som förhållandevis jämna då alla består av två rotorer av stålmaterial och ett hölje av lättare material. Detta med undantag från vingpumpens hölje som har högre krav på nötningsbeständighet än de övriga typerna.
Paketeringsmöjligheterna bedöms även dem förhållandevis jämna pumptyperna emellan men de som kan konstrueras med in- och utlopp som inte bygger axiellt från pumprotorn föredras i denna
tillämpning eftersom det underlättar då flera pumpsteg placeras på rad och de riskerar inte att vara i vägen för drivningen.
Tillverkningsbarheten hos pumptyperna bedöms utifrån de förutsättningar som finns hos uppdragsgivaren.
Den externa kugghjulspumpen med evolventprofil bedöms lätt att tillverka eftersom kugghjulen troligtvis kan beställas som standardkomponenter och höljets geometri är okomplicerad.
Lobpumpen bedöms svårare att tillverka än kugghjulspumpen på grund av att loberna troligen inte är standardkomponenter och att drivningen sker via två axlar som kräver timing genom exempelvis kuggväxlar på höljets utsida.
De interna kugghjulspumparna bedöms svårare att tillverka än de interna på grund av framför allt höljenas mer komplexa geometri.
För att vingpumpens hölje ska bli lika lätt som för de övriga pumptyperna krävs troligtvis någon ytbehandling eller beläggning som uppdragsgivaren inte utför in-house. I övrigt har den även fler rörliga delar vilket ytterligare komplicerar tillverkningen. På grund av detta bedöms vingpumpen som svårast att tillverka bland de pumptyper som berörs av projektet med de tillgängliga resurserna.
Utifrån den grundläggande teorin är pumparna relativt lika i sina egenskaper. Om en pumptyp behöver väljas enbart från teorin har den interna kugghjulspumpen många fördelar. Den är kompakt, har tyst gång, hög verkningsgrad och är väl beprövad för projektets tillämpning.
Fokus i projektet är att anpassa en oljepump till uppdragsgivarens önskemål och resurser. När dessa dem tas med i beräkningen skiljer sig utslaget lite. Den interna pumpen är visserligen kompakt i sitt enklaste utförande men med två pumpar på rad efter varandra riskerar slutformen att bli större ändå.
Detta på grund av att utformningen behöver ta hänsyn till nedsänkningar för de njurformade in- och utloppen och först efter det kan nästa pumpsteg placeras.
Placeras två externa kugghjulspumpar på rad påverkas inte den totala storleken på samma sätt.
Utförandet med externa pumpar blir förhoppningsvis mindre och där av även vikten, som är en viktig parameter. Fördelen med tystare gång hos den interna kugghjulspumpen har inte någon inverkan på valet av pump eftersom den placeras på utsidan av ett motorfordon.
Tyngst av alla kriterier från uppdragsgivaren är att den är tillverkningsbar utifrån deras resurser.
Pumphusen till interna kugghjulspumpar har en komplexform som lämpar sig mer för gjutning än CNC-fräsning som är den tillverkningsmetoden uppdragsgivaren har resurser för. Rotorerna har inte heller konstant radie vilket komplicerar både beredning och bearbetning betydligt med
uppdragsgivarens resurser.
Mest tillverkningsbar ur uppdragsgivarens synvinkel är en extern kugghjulspump något som det redan påbörjat arbete kring. För att ytterligare underlätta tillverkning utifrån deras resurser har en egen kuggprofil utvecklats. Utformningen är utvecklad med intuitionen att formen har en positiv inverkan på kavitationsbenägenheten hos pumpen.
4.2 Principer för volymflödesreglering
Den konventionella lösningen för oljepumpens drivning är mekaniskt från förbränningsmotorns vevaxel. Motorn i denna tillämpning förväntas ha ett maxvarv tio gånger så stort som
tomgångsvarvtalet. Eftersom oljepumpens varvtal på tomgång anses tillräckligt för motorns hela varvtalsregister går pumpen tio gånger snabbare än nödvändigt. Ur Figur 12 utläses att om pumpen behöver leverera 5l/min på tomgång går det åt 225 W till att pumpa runt olja i onödan vid motorns maxvarv.
Det finns flera sätt att behandla detta. Detta arbete undersöker principen frikoppla oljepumpens varvtal från förbränningsmotorns genom att driva den med en elmotor. Ett annat sätt att angripa problemet är att minska pumpens deplacement vid önskat tryck och på så sätt minska flödet trots ökande varvtal.
Ett exempel som på en extern kugghjulspump som arbetar enligt den principen visas i Figur 18. En kolv som styrs av oljetrycket trycker den ena rotorn i sidled så att deplacementet hos pumpen minskar.
Hur mycket rotorn förflyttas styrs av den fjäder som håller emot på rotorns andra sida. Fjädern dimensioneras så att trycket hålls konstant på önskad nivå. (Nordlund, 2004)
Figur 18 Extern kugghjulspump med variabelt deplacement (Nordlund, 2004)
Pålitligheten hos mekanisk drivning är större än elektrisk vilket troligen är anledningen till att det är den vanligaste. För att bedöma pålitligheten rättvist för de två drivningsprinciperna bör de
flödesreglerande komponenterna ställas mot varandra.
Den flödesreglerande mekanismen i pumpen med variabelt deplacement är enkel och robust. Den innehåller inte många delar som kan gå sönder eller skadas. (Nordlund, 2004) Med elektrisk drivning finns möjlighet att reglera varvtalet efter behov med hjälp av olika sensorer och annan elektronik. För att minimera antalet felkällor bör antalet elektroniska komponenter minimeras. Om ett fel på den elektriska drivningen trots detta uppstår och motorns smörjning blir otillräcklig leder detta oundvikligen till motorhaveri. Därför föreslås att en trycksensor används för att försäkra sig om att trycket är tillräcklig i smörjsystemet. Som åtgärd vid för lågt tryck föreslås att motorns tändning slås av och felet indikeras visuellt.
Elektrisk drivning ger dock två fördelar till som inte är möjliga att uppnå med mekanisk drivning av pumpen. Eftersom elmotorn kan drivas från motorcykelns batteri oberoende av förbränningsmotorn kan den elektriskt drivna pumpen bygga upp oljetrycket redan innan förbränningsmotorn startas.
Detta bör minska slitaget på motorn vid start och stopp. En annan fördel är att oljepumpen blir mer modulär med elektrisk drivning. Enheten med pump och motor kan enkelt användas till andra motorer och tillämpningar.
4.3 Konceptutveckling
Uppdragsgivaren har i ett tidigare skede tillverkat en labpump i utförandet av en extern
kugghjulspump (Figur 19). Den pumpen är en grund till pumpen som tas fram i det här projektet.
Figur 19 Tidigare tillverkad labpump
Utformningen på rotorerna ur ovannämnda pump är som tidigare nämnt framtagen med intuitionen att formen har en positiv inverkan på att minska kavitation. Uppdragsgivaren ser gärna att utförandet av rotorerna tas med till det nyutvecklade konceptet som utförs i detta projekt.
Företaget har även utformat en pump med flera pumphus placerade på rad (Figur 20). Den pumpen innehåller ett tryck-och ett sughus samt ett pumphus för växellådan. Likheter med projektet som utförs nu är att placera flera pumphus efter varandra, så även denna pump används som inspiration.
Figur 20 Tidigare utvecklad flerstegspump
Deplacementet hos sugsteget måste vara större är hos trycksteget för att klara av att evakuera oljan ur vevhuset tillräckligt snabbt. Det är även önskvärt att skapa ett undertryck i vevhuset då det minskar vevaxelns motstånd och därmed ökar motorns effektivitet. För att åstadkomma detta används bredare rotorer i sugsteget. Pumpen i Figur 19 har 10 mm breda rotorer. Deplacementet per varv beräknas med hjälp av CAD till 4,34556 cm³/varv. Denna bredd ger teoretiskt ett flöde på 4,75l/min vid ca 1100 rpm.
Beaktar man pumpens volymetriska verkningsgrad (uppskattas till 70-90%) bör den arbeta mellan
ungefär 1200-1500 rpm vilket bedöms som lämpligt. För att underlätta delar av tillverkning och testning används därför denna dimension för tryckstegets rotorer. Sugstegets rotorer har samma profil men bredden 15 mm.
Pumpens deplacement avgör även hur stort moment som krävs för att driva den. Formel 4:1 beskriver detta samband.
𝑀𝑀 = 𝑉𝑉𝜑𝜑× ∆𝑝𝑝 (Nordlund, 2004) [4:1]
𝑉𝑉𝜑𝜑 där pumpens deplacement per radian och ∆𝑝𝑝 tryckskillnaden över pumpen.
Med ovan nämnt deplacement per varv blir då momentet ungefär 0.21 Nm.
Med kraven på varvtal och moment kan drivenheten väljas ut. För att få en liten och lätt enhet används en motor med växellåda som höjer momentet och sänker varvtalet. Uppdragsgivaren har med
framgång tidigare använt motorer med växellådor från leverantören Stork Drives AB. De har ett brett utbud av små likströmsmotorer och ett modulsystem med olika växellådor till de olika motorerna. För att minimera risken för driftstörningar väljs en borstad motor som inte kräver motorstyrning.
Beräkningar utförs på ett flertal kombinationer innan en lämplig kombination identifieras. Nedan presenteras den rekommenderade kombinationen.
Motor:
DCX 32 L Ø32 mm, Graphite Brushes, ball bearings
• Diameter: 32 mm
• Effekt: 70 W
• Nominell spänning: 12 V
• Tomgångshastighet: 7120 rpm
• Maximalt vridmoment:89.4 mNm
• Hastighetskonstant: 612 rpm/V
• Hastighet/vridmomentgradient: 4.24 rpm/mNm
• Vikt: 320 g
Växel:
• Planetary gearhead GPX 32 LN Ø32 mm, 1-stage
• Diameter: 32 mm
• Utväxling: 3.9 : 1
• Maximalt kontinuerligt vridmoment: 1 Nm
• Vikt: 140 g
Figur 21 Kombinationen av elmotor och växel som rekommenderas till konceptet
Det maximala momentet motorn kan leverera vid kontinuerlig drift finns avgivet i dess specifikationer.
Med det momentet kan momentet på pumpaxeln beräknas med växelns utväxling och verkningsgrad.
För denna kombination blir momentet på pumpaxeln 313,794 mNm. Det innebär att pumpens
mekaniska verkningsgrad behöver vara bättre än 66 % vilket bedöms som ett rimligt mål. Drivenheten behöver också driva pumpen med lagom högt varvtal. Detta beräknas genom att använda motorns angivna varvtal utan belastning och subtrahera med produkten av momentet och en konstant för hur mycket varvtalet minskar per mNm moment. Därefter kan pumpaxelns varvtal beräknas med växelns utväxling. Pumpaxelns varvtal med denna kombination blir ungefär 1728 rpm vilket betyder att den volymetriska verkningsgraden också behöver vara 63 %.
För att hålla trycket konstant på önskad nivå används en överströmningsventil i likhet med den konventionella lösningen men flödet genom den förväntas vara mycket mindre i denna tillämpning, gärna 10-15 % av tryckpumpens flöde.
4.3.1 Koncept 1
Utformningen av den första pumpen präglas av minsta möjliga storlek. De två pumpstegen ligger bredvid varandra och överströmmaren går mellan tryckstegets- och returstegets utlopp.
Figur 22 CAD-modell av koncept 1
Figur 23 CAD-modell av koncept 1, t.h utan hus får att se rotorerna
Överströmmare
Utlopp ur tryckhus till motorns oljegalleri
Utlopp ur sughus till reservoaren
Inlopp i sughus från vevhuset Inlopp i tryckhus
från reservoaren
Rotorer i
tryckhuset Rotorer i sughuset
Returpumpens utlopp går till oljereservoaren som är ventilerad mot atomsfären. Överströmmaren placeras mellan pumpstegens utlopp eftersom det är den kortaste vägen till en ledning som leder till reservoaren. Oljan flödar då genom kanaler som borras i pumphuset.
Till detta koncept konstruerades två typer av överströmmare (se Figur 24)
Figur 24 Två typer av överströmmare tillhörande koncept 1
Båda typerna bygger på att oljetrycket pressar kolven uppåt och komprimerar en fjäder. Trycket verkar på bottenarean vilket ger kraften på kolven uppåt. En fjäder lämplig fjäderkonstant väljs så att ventilen öppnar vid önskat tryck. Fjädern monteras även med lämplig förspänning. Fördelarna med typen till höger i Figur 24 är att arean som tycket verkar på är oberoende av den begränsande ytterdiametern för fjädern. Detta underlättar när en lämplig fjäder ska väljas. En annan skillnad är att areaökningen under öppningsförloppet sker snabbare vilket minskar fjäderns kompression från att ventilen börjar öppna till att den är helt öppen. Detta anses vara en fördel eftersom det även innebär att skillnaden i oljetryck underöppningsförloppet minskar.
Dessa typer kräver att utrymmet ovanför kolven ventileras mot atmosfären så att inte luften där agerar luftfjäder. Detta innebär viss risk för problem på grund av att vatten och smuts tar sig in via
ventilationen. Det kräver exempelvis att en rostfri fjäder används och att kolven har tilläcklig tätning för att inte oljan ska kontamineras.
Den drivande axeln dimensioneras efter pumpens drivande moment. Med en diameter på 4 mm blir den maximala skjuvspänningen i axeln ungefär 15,9 MPa i idealfallet vilket ligger långt under sträckgränsen för lämpliga stålsorter även om den mekaniska verkningsgraden hos pumpen skulle vara låg.
Alla delar i konceptet är av höghållfast aluminium (7075) förutom skruvar rotorer axlar och lager.
Detta eftersom aluminiumlegeringen är lätt i förhållande till sin sträckgräns och styvhet. Till axlar och rotorer används härdbart stål, förslagsvis nitrerhärdat ss 2145 för att uppnå en nötningsbeständig hård yta som även är fördelaktig ur utmattningsperspektiv. Till konceptet hör även glidlager av massivt lagerbrons för att minska friktion och öka slitstyrkan.
4.3.2 Koncept 2
En nackdel med koncept 1 som ganska kompromisslöst präglats av låg vikt och liten storlek är att placeringen av oljeledningsanslutningarna till reservoar, vevhus och oljegalleri kräver att pumpen monteras med rörledningar eller slangar till samtliga anslutningar. På ena sidan är en anslutning mot oljereservoaren och den andra mot oljegalleriet. På andra sidan finns anslutningen mot vevhuset och den andra anslutningen mot oljereservoaren.
Koncept 2 går ut på att genom att rotera det ena huset 180 grader runt den drivande axeln kan
pumpen monteras dikt an mot oljereservoaren eftersom alla anslutningar mot oljereservoaren hamnar på samma sida. Genom att placera trycksteget längst bort från elmotorn kan en överströmmare placeras på gaveln som leder det överflödiga flödet direkt till reservoaren istället för att den oljan pumpas ytterligare en gång genom retursteget.
Pumpen som påbörjats med flera pumpsteg (Figur 20) placerade på rad har reservoarens anslutningar på samma sida. Personen som arbetat med den jobbar inte kvar och den dokumentation som finns är CAD-modeller och några av programmen till CNC-fräsen. De flesta av komponenterna till den pumpen finns tillverkade men den saknar axlar till rotorerna och är inte provkörd. Så mycket som möjligt av den pumpen används i hopp om att framförallt underlätta tillverkning men även till viss del
konstruktionsarbetet.
I pumpen som ska tillverkas i det här projektet plockas pumpsteget för växellådan i ovannämnda pump bort. Pumpen som konstrueras består av tre delar, ett sughus, ett tryckhus och en del för överströmmaren. Eftersom företaget föredrog att rotorernas utformning bibehölls kan även mycket av utformningen av nedsänkningarna där rotorerna placeras i tryck- och sughus behållas. I
konstruktionen i det här projektet anpassas bredden på rotorerna för att passa kraven på flöde utan att pumpens varvtal blir för högt och med det följer att även nedsänkningarna omkonstrueras. Bredden på rotorerna i sughuset har en bredare bredd än rotorerna i tryckhuset precis som i koncept 1.
Den tredje delen agerar dels lock åt tryckhuset, men innehåller även konstruktionen för
överströmmaren. Till skillnad från överstömmarna i koncept 1 kan denna konstrueras utan att vara ventilerad mot utomhusmiljö.
Figur 25 Överströmmare med tillhörande kolv till koncept 2 När oljetrycket blir för högt vid tryckpumpens utlopp går överskottsoljan i en kanal till
överströmmaren där trycket på kolven göra att fjädern pressas samman och kolven lyfter ur sitt stängda läge. När kolvens tapp lyfter ur kanalen rinner oljan genom hål i botten på kolven, förbi fjädern och ut i reservoaren.
Fjädern som används väljs efter de dimensioner kolven har och beräkningar om att fjäderkonstanten är anpassad för att kolven ska börja öppna sig först när trycket in till smörjsystemen överstiger önskat tryck. Då fjädern placeras i kolven, där olja kommer att passera, behöver inte fjädern vara rostfri utan är väl inoljad. Det behövs inte heller någon o-ring på kolven. Detta gör att den enkelt kan göra ihålig för att ge mer plats åt fjädern och kolven blir då också av låg vikt. Slutligen placeras en CAD-modell från leverantören av vald fjäder in i CAD-modellen för pumpen.
Den drivande axeln designas om flera gånger, främst av tillverkningstekniska skäl. Från koncept 1 ökas axeldiametern till 8 mm för att öka belastningsarean på lagren och ha större säkerhetsfaktor mot utmattning. För kopplingen mellan axeln och rotorerna övervägs bland annat press-/krympförband, kilförband, bomförband, och alternativet att tillverka axeln och en av rotorerna i ett stycke. Utifrån uppdragsgivarens resurser bedöms den bästa lösningen vara de två formstyrda förbanden som beskrivs i Figur 26. Förbanden kan enkelt tillverkas i uppdragsgivarens 3-axliga CNC-fräs.
Figur 26 Den drivande axeln med tillhörande rotorer och förbanden dem emellan
Vid mätningar i CAD-modellen från pumpen konceptet baseras på upptäcks att o-ringsspåren kring nedsänkningarna för rotorerna och hålen mot tråget inte har mått anpassade för standardiserade o- ringar. Spåren anpassas till lämpliga mått för standardiserade o-ringar och därefter väljs o-ringar enligt nedan.
Konstruktionen har tre utföranden av o-ringar:
• 1 st o-ring för att passa som tätning mellan övertrycksventilen och oljetråget
• 2st o-ringar för att täta mellan sug- respektive tryckhus och oljetråget
• 2st o-ringar som läggs i ett spår kring kugghjulens nedsänkning i vardera pumphus
Den flerstegspump som tillverkats innan är i utförandet av en labpump och har inte anpassad plats för lager där axeln går genom pumphusen eller en tätning där axeln går ut från sughuset. I dagens läge går axeln direkt mot aluminiumhöljet, något som kommer nöta på pumphusen.
Till konceptet väljs massiva bronsbussningar som glidlager för att minska nötning och friktion. Dessa kan beställas i rätt dimension vid beställning av större volymer från en av uppdragsgivarens
leverantörer. Vid mindre volym som till prototypen för konceptet bör dessa lager istället bearbetas fram ur solid stång hos uppdragsgivaren. För att spara på projektets och uppdragsgivarens resurser används standardiserade PTFE-kompositbussningar till prototypen.
En radialtätning av typen RAS väljs som tätning vid ingående motoraxel då radialtätningar är anpassade för avtätning av roterande axlar. Tätningen är försett med en dammtunga för skydd mot yttre smuts.
Figur 27 Modell av Koncept 2 Utlopp ur sughus
till reservoaren
Inlopp i tryckhus från reservoaren
Överströmmare med kolv och fjäder med utlopp till reservoaren
Utlopp ur tryckhuset till motorns oljegalleri
Inlopp i sughuset från vevhuset
Skruvhål för att fästa pumpen i tråget
4.4 Realisering av prototyp
Realiseringen av pumpen sker på lite olika sätt beroende på del, vissa delar tillverkas i CNC-maskin, andra i manuell svarv och vissa komponenter köps in. Det olika metoderna kräver olika förberedelser och nedan följer en mer ingående hur olika delar realiserades.
4.4.1 Beredning
Med en färdig CAD-modell används G-kod för att programmera program som CNC-maskinen kan läsa.
Företaget har ett färdigt grundprogram som används vid programmering och innehåller olika cykler för olika operationer. Eftersom utförarna inte programmerat förut inleds momentet med en kort genomgång av hur ett program byggs upp och grundkommandon. Ex. G1 = rak bana, G2= radie medurs, G3= radie moturs.
Första biten som kodas är huset som innehåller övertrycksventilen. För att skriva ett bra program planeras först vilken sida av biten som ska bearbetas först och med vilka verktyg. Alla verktyg har en benämning i maskinen som startar på T och sen har ett nummer mellan 1-20 då maskinen har 20 verktygsplatser. En lathund över dessa skapas samt identifikation om ett verktyg som ej används kan bytas ut mot ett nytt verktyg som behöver användas i tillverkningen av oljepumpens delar. Efter det läggs verktygsbanor och punkter ut i CAD-modellen för att på så sätt få ut koordinater där olika operationer sker. Punkterna placeras där hål ska borras och ger som resultat en koordinat som läggs in i programmet i en borrcykel. Verktygsbanorna används för att få koordinater hur verktyget ska gå tex.
gå rakt (G1) från nuvarande punkt till koordinaten (XY) för där den raka linjen tar slut. Från den punkten går en radie medurs till nästa punkt och skrivs G2XYR där värdet på R är radien. Generellt utformas först banorna för det grövsta jobbet som utförs av en 40 mm fräs som max tar 5mm djup åt gången (Z-led) och då kan det krävas att samma bana körs flera gånger men med olika Z. 40 mm fräsen kör med 1 mm marginal till den slutliga formen. Den sista millimetern fräses i en ny bana med en 10mm fräs och kan ofta ta hela höjden i en körning (Figur 28).
Figur 28 Banor i CAD-modellen med tillhörande kod
Varje operation startar med att förklara vilken typ av operation det är vilket verktyg som ska växlas in, med vilken matning och spindelhastighet arbetet utförs, startpunkt för arbetet och vilket som är nästa verktyg att växla in. Där efter följer koordinater för nästa punkt. Ska borrning utföras innebär det punkterna för resterande hål som ingår i operationen och vid fräsning koordinaterna på
verktygsbanorna.
Ett textdokument skapas för varje sida som ska bearbetas, så för delen med övertrycksventilen är det 3 program. Resterade kodningar sker på lite olika sätt. Nästa program är det för tryckhuset som
programmeras av företaget i två steg för ett effektivt arbete. Ett stort bearbetningsprogram skapas direkt i CNC-maskinen och innehåller det mesta förutom banorna som skapas vid CAD-modellen och hämtas in som underprogram till programmet i CNC-maskinen. Programmet för sughuset
programmeras på liknade sätt som övertrycksventilen.
Kodning och tillverkning sker lite parallellt och koden för operationerna från sidorna som sker samtidigt i alla hus kodas först efter att pumps delar monterats fysiskt. Denna kod skiljer sig inte från tillvägagångssättet av det enskilda delarna mer än att banorna läggs ut i den sammanställda CAD- modellen och att koordinatsystemet flyttas för att passa tillverkningen bättre.
Rotorerna har två typer av bearbetning och båda förbereds. Steg ett är att skapa ämnen och steg två att fräsa i dem. För att skapa ämnen förbereds en ritning som överlämnas till en medarbetare som kommer svarva dem i manuell svarv. Förberedelserna för bearbetningen sker på samma sätt som de övriga delar som frästs ut. Eftersom rotorerna utgår från ett tidigare arbete finns redan färdiga koder för verktygsbanan för konturen som avvänds som grund, men koordinaterna uppdateras och specifikt i z-led då utförandet i de olika varianterna har olika höjd. Även hålet i mitten behöver kodas om då projektets utförande gör plats för lager i de drivna rotorerna och att två drivande rotorerna inte har cylindriska hål. Så det är fyra olika rotorer i som programmeras.
Axeln planeras på liknade sätt som rotorerna. En grundform svarvas manuellt och förbereds med en ritning och formen för att passa de drivande rotorerna planeras bearbetas i CNC-maskin och
programmeras med en G-kod.
Kolven och tapparna planeras tillverkas helt manuellt i svarv och med borr för hålen i kolven. Inför detta skapas ritningar över delarna och överlämnas till en medarbetare.
De delar som inte kan eller är lönsamma tillverka själva på företaget i detta projekt och som
presenteras i modelleringskapitlet 4.2.2 beställs. Komponenterna är o-ringar, tätning, fjäder och lager.
4.4.2 Bearbetning
Först tillverkas de olika husen till pumpen, dem tillverkas på ungefär samma sätt. Tillverkningen sker i en treaxlig CNC-fräs (Figur 29). Första steget är att lägga in koderna som skapat programmen för hur maskinen ska köra, vilket sker via att dem först skickas över till en vanlig liten dator som finns i verkstaden i anslutning till CNC-maskinen. Datorn kopplas in i CNC-maskinen och programmen importeras in. Där kollas även att maskinen verkar okej med kodens utformning (Figur 29).
Innan programmet kan köras sker en del kontrollen och inställningar. I början av programmet finns en lista av vilka verktyg som behövs till de olika operationerna och vilket verktygsnummer det är
programmerade som, så kontroll sker för att kontrollera att alla verktyg finns och på rätt plats. Finns inte ett verktyg byts ett annat ut och det nya verktyget mäts sedan in till sin 0-punkt för att veta var det befinner sig.
Biten som ska fräsas placeras i ett skruvstäd och måttas in var origo är. Sedan är biten nästan redo att bearbetas, men innan sker en kontroll av att programmet verkar rätt programmerat. Detta sker genom att programmet körs men i luften en liten bit ovanför biten. Ser provkörningen okej ut påbörjas fräsningen och borrningen och biten bearbetas fram utefter koden. Om ett fel upptäcks under provkörningen rättas det till genom att ändra i koden direkt i CNC-maskinen innan bearbetningen sker.
Första biten ut är övertrycksventilen och sidan med den lilla upphöjningen som ska ligga ner mot rotorernas nedsänkning på tryckhuset (Figur 31). Denna ska passa ned i ett hål med samma form med väldigt liten tolerans för att lokalisera bitarna mot varandra. Det är mycket svårt att förutse hur exakt maskinen tillverkar när hundradelar räknas. Verktygens längdkompensering ställs in manuellt genom att sänka verktyget till sin nollpunkt med ett papper emellan. Denna metod för att ställa in
längdkompenseringen är snabb och effektiv och tillräckligt noggrann för de flesta tillämpningar. När den delen är tillverkad skapas en fixtur som denna fästs på när andra sidan av den tillverkas (Figur 30) (Figur 32). Både tryck- och sughuset tillverkas sedan på samma sätt, att en sida bearbetas och sedan fästs biten på fixturen. I och med att fixturen används är det den som positioneras in och när biten sedan monteras på hamnar bitarna rätt i förhållande till koordinatsystem och varandra.
Figur 29 T.v CNC-fräsen som används och t.h överföring av koderna från datorn till CNC-maskinen
Figur 32 Bearbetning av sida nummer 2 av överströmmaren monterad på fixturen
När bitarna bearbetas separat sker fräsningen på två av bitarnas sidor, dem som sitter mot varandra och ytan där axeln går ut och sidan av överströmmaren. Innan bearbetning av från sidorna för hål för ut- och utlopp samt kolven för överströmmaren sker monteras pumpens hus ihop. Här krävs lite gradning av kanten där den lilla kanten på ett hus ska passas in i rotorernas nedsänkning på
anslutande hus och sedan skruvas huset ihop. Skruvarna som fäster fast sughuset skruvas ut igen och dem hålen används för att montera samma fixtur som tidigare används i tillverkningen. Denna fixtur vänds från liggande till stående i skruvstädet i fräsen och måttas in innan pumpen monteras.
Tillvägagångssättet för bearbetningen från sidan sker på samma sätt som när bitarna tillverkades (Figur 33).
Figur 31 Fräsning av första sidan av övertrycksventilen Figur 30 Fixtur att fästa pumphusets delar på inför bearbetning av sida 2
Figur 33 Hela pumphuset på fixturen för att borra och fräsa sidorna
Kolven till överströmmaren (Figur 34)(Figur 35), tapparna för de drivna rotorerna och ämnen till rotorerna samt grundformen till axeln (Figur 36) tillverkas efter ritningar med lämpliga toleranser i manuell svarv av en medarbetare på företaget. Till det två drivna rotorerna med ett cylindriskt hål för tapparna skapas en fixtur av företaget och sedan fästs ämnena på dem och bearbetning i CNC-maskin sker efter samma procedur som tillverkningen av husets delar (Figur 37) (Figur 38). Efterbearbetning av axeln sker också i CNC-maskin för att skapa en fyrkant i änden och en sexkant på mitten (Figur 39).
I den ursprungliga konstruktionen av koncept 2 var axeln och rotorn på mitten i samma stycke. Den konstruktionen är robust men ändras av tillverkningstekniska skäl. Det upptäcks att det inte finns någon tillräckligt lång fräs för att inte slå i änden på axeln då rotorprofilen bearbetas.
Figur 34 T.v manuell svarvning av kolven och t.h. borrning av hål i kolven
Figur 35 Manuellt svarvad kolv för överströmmaren
Figur 36 Manuell svarvning av axeln
Figur 37 Rotorerna monterade på sin fixtur, t.v. under bearbetning och t.h. färdigfräst
Figur 38 De drivna rotorerna, överst i bild manuellt svarvade ämnen och närmast efter bearbetning i CNC-fräs.
Figur 39 Den manuellt svarvade axeln placerad i CNC-fräsen. På bilden syns ett verktyg som mäter in placeringen
När bearbetningen från sidorna av pumphuset är utförd, finns hål för ventiler som skruvas dit (Figur 40). Fjädern placeras i kolven (Figur 41) och kolven i pumpen för att se att att det passar som tänkt.
Figur 40 Monterad pump med ventiler
Figur 41 Fjädern placerad i kolven, t.v. med sin ritning i bakgrunden
Figur 42 Pumpen uppdelad i sina komponenter
Efter alla delarna tillverkats eller köps in påbörjades monteringen av pumpen (Figur 42). Först monteras enbart husen ihop med varandra och då upptäcks att bitarna behöver gradas och dras ihop med skruvarna för att passa med varandra. Detta är en konsekvens av maskinens noggrannhet och valet att utesluta toleranser vid tillverkningen. Utifrån de tillverkade bitarna kan lämplig
bearbetningstolerans bestämmas.
När pumphusen passar tillsammans är nästa moment att montera i rotorerna. Först monteras rotorerna en och en för att se att de går runt i nedsänkningen. De rotorer som inte går runt efterbearbetas och slipas till. När varje rotor passar enskilt monteras de i sina par. Även vid den monteringen upptäcks att det kärvar mellan rotorerna och rotorerna undersöks genom att manuellt snurra axeln så gott det går. Då ses mellan vilka kuggar motståndet uppstår och aktuella punkter slipas. Detta utförs i omgångar på rotorerna tills axeln kan drivas runt. Anledningen till att rotorerna kärvar har antagligen att göra med fräsens utböjning då de bearbetas. Detta trots att de programmen körts två gånger per rotor.
När pumpen hålls monterad med rotorerna i men utan skruvförbanden fungerar detta, men när skruvarna åter fästs blir motståndet för stort. Detta beror troligen på att höjdkompenseringen för verktygen inte varit perfekt. Pumpen monteras isär och rotorerna bearbetas ytterligare, denna gång med slipning av höjden, för att på så sätt inte slå i huset.
När alla delar passar ihop monteras pumpen till sitt slutliga utförande med tätningar, o- ringar samt kolv och fjäder (Figur 43).
Figur 43 Färdigmonterad pump
4.5 Testning
I ett tidigt skede utförs ett test på den gamla variant av kugghjulspump som tillverkats av företaget.
Detta test utförs i syfte att bekräfta att kuggprofilen är av ett bra utförande och sker genom att pumpa luft med pumpen. Tidigt i projektet uppkom ett orosmoment om hur pumpen klarade att det hantera luft i smörjsystemet. En enkel testrigg skapas med en borrmaskin som driver axeln på pumpen och från pumpen en slang ned till en balja med vatten. När borrmaskinen körs stiger vattnet i slangen och på detta sätt kan det bekräftas att pumpen pumpar luft(Figur 44).
Figur 44 Testrigg för ett första test
När pumpen som arbetas fram i det här projektet färdigställts utförs även ett test av den. Syftet med testet är att bekräfta pumpens funktion. Moment som ingår i det är att överstömmaren fungerar och öppnar när trycket blir för högt, mäta vridmomentet för krävs för att driva pumpen och se att det blir undertryck i vevhuset.
Eftersom motorcykelmotorn som pumpen ska sitta på inte är färdig skapas en testrigg för att kunna bekräfta pumpens funktion. Riggen består av delar som ska representera det delar som finns i motorcykelmotorn (Figur 45).
Reservoaren skapas som en behållare (på bilden röd) och under den sitter pumpen i ett skruvstäd.
Eftersom behållaren inte är som styv förstärks den med en metallplatta på insidan. Från pumpens tryckhus går en slang till en ventil med tryckmätaren. Slangen som valts är genomskinlig för att se oljan. Ventilen skapas i manuella maskiner med en slangkoppling i varje ände och i
genomströmningen sitter först en sensor till tryckmätare och sedan en strypning (Figur 46).
Strypningen representerar motståndet i motorcykelmotorn. Från tryckmätarens sensor går kablar till en visare som där trycket kan utläsas. Från ventilen går en slang till vevhuset som i testriggen
representeras av en dunk med in- och utlopp. Locket på dunken är försett men en slang tunn slang som kan användas som två funktioner. Försluts slangen i änden skapas ett undertryck i vevhuset om pumpen fungerar som tänkt och tas förslutningen bort och änden placeras i en vattenbehållare kan trycket mätas i mvp (meter vattenpelare) genom att helt enkelt mäta hur högt vattnet sugits upp av undertrycket. Från vevhusets utlopp går en slang till pumpens sughus.
Figur 45 Testrigg för pumpen som skapats i det här projektet
Figur 46 Ventil med trycksensor och strypning
För att mäta vridmomentet på pumpen kan den inte sitta fast i skruvstädet utan monteras istället i en konstruktion som gör att pumpen kan rotera runt sin drivaxel. Pumpens axel placeras i ett kullager i ställningen vilket möjliggör rotationen. På själva pumpen monteras en arm som går ut till en våg, på det här sättet ges data för att räkna ut vridmomentet. I övrigt är testriggen den samma som den tidigare (Figur 47).
Figur 47 Testrigg för test av vridmoment
Första testet som utförs av projektets pump är att mäta trycket och till det används riggen i Figur 45.
Olja fylls på i systemet och istället för en tilltänkt motor används en skruvdragare för att driva axeln och styra varvtalet på pumpen. Flödet stryps genom att skruven på strypningen skrivas ner en bit vilket gör att slangsektionen mellan pumpen och strypningen trycksätts. Trycket läses av på tryckmätaren och då bekräftas överströmmarens funktion då den trots varierande varvtal håller trycket på konstant nivå inom toleransgränserna för trycket (Figur 48).
Figur 48 Tryckmätaren
Testet bekräftar även tryckstegets funktion då det klarar att skapa angivet tryck och sugstegets funktion då olja evakueras tillräckligt snabbt ur vevhuset och undertryck uppstår i det. Att undertryck uppstår i vevhuset visar sig i testet genom att dunken som ska representera vevhuset suger ihop sig om den tunna slangen i locket är tilltäppt och dunken där med försluten (Figur 49). Undertrycket
påvisades även genom att suga upp vatten i den tunna slangen.
Figur 49 Undertryck skapas i "vevhuset"
Andra testet av oljepumpen utfördes med testriggen i Figur 47 för att mäta vilket vridmoment pumpen har. Som beskrivet i testriggens utformning placerades en våg i änden på armen från pumpen. Vid start av test nollställdes vågen, sedan monterades borren på axeln och pumpade oljan genom systemet på samma sätt som i första testet. När borren nått lämplig hastighet avlästes både trycket på
tryckvisaren och vikten på vågen av samtidigt. Ur mätdata beräknas momentet som krävs för att driva pumpen.
