Eliminering av ePTFE membran på aktuator Arc

Eliminering

av

ePTFE membran

på aktuator Arc

Kongsberg Automotive AB

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik, produktutveckling och design. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: David Samvin Handledare: Ilia Belov

Omfattning: 15 hp (grundnivå) Datum: 2020-06-02

Abstract

Abstract

This thesis has been assigned on behalf of Kongsberg Automotive, investigating the possible elimination of a component in one of their assembled products. The actual product

investigated is an actuator named Arc. The assembled product is commonly used within the automotive industry as an innovative solution transferring mechanical interaction between human and a gear change in an automatic transmission/gearbox.

The component investigated for potential elimination within the assembled product (Arc), is a ventilator made of ePTFE, a material which allows air and gases to pass through but blocks fluids.

The reason for investigating the potential elimination of the ventilator was twofold, first a potential cost reduction but also the doubt that a quality assured attachment was

achieved within the production process. By eliminating this component the opportunities of balancing the pressure differences occurring within the assembled products also disappears. Thus, calculations on the concealed air were made based upon the requirements in the specifications in order to evaluate the maximum overpressure and underpressure formed inside the actuator. With the potential ventilator removed, the calculations show that the seal around the mechanical shaft, which is connected via the arc to the gearbox, will be subject to a (much ?) higher pressure drop.

With the support of various tests and calculations, the result was that an elimination of the ePTFE membrane is not recommended as it would possibly cause damage to the actuator within use.

Sammanfattning

Sammanfattning

Arbetet har utfärdats på uppdrag av Kongsberg Automotive där en undersökning har gjorts kring möjligheten att eliminera en kritisk komponent i en av deras produkter. Produkten som berörs är en aktuator benämnd Arc som används inom bilindustrin som en innovativ lösning till traditionell mekanisk överföring mellan mänsklig interaktion och växelbyte på en automatisk växellåda.

Den kritiska komponenten som har varit central under arbete är ett ventilationsmembran som är tillverkat av ett material ePTFE som tillåter luft och gaser att passera men blockerar vätska. Förutom en kostnad fanns det en oro hos Kongsberg över att kunna kvalitetssäkra denna komponent då dess infästning ansågs vara tvivelaktig. Därför undersöktes behovet av komponenten.

Genom att eliminera denna komponent elimineras även möjligheten för att balansera tryckskillnader inom produkten. Beräkningar på den förslutna luften gjordes utifrån en kravspecifikation för att kunna utvärdera det maximala övertrycket respektive undertrycket som bildas inuti aktuatorn. Detta leder till att den tätning kring den mekaniska axel som i sin tur integrerar med växellådan blir utsatt för ett högre tryckfall en tidigare konstruktion. Med hjälp av tester och beräkning kunde det dras en slutsats kring ifall det var möjligt att eliminera komponenten. Arbetet resulterade i att en eliminering utav komponenten ansågs olämpligt då det kunde innebära skada för produkten.

Innehållsförteckning

Innehållsförteckning

1

Introduktion & bakgrund ... 1

1.1 BAKGRUND ... 1

1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2

1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 2

1.5 DISPOSITION... 2

2

Teoretiskt ramverk ... 3

2.1 AKTUATOR (STÄLLDON) ... 3

2.2 TÄTHET VID ELEKTRONISK INKAPSLING ... 3

2.3 DYNAMISK TÄTNING ... 3

2.4 TRYCK ... 3

2.4.1 Övertryck och undertryck ... 4

2.4.2 Atmosfärstryck (Lufttryck)... 5

2.4.3 Hydrostatiskt tryck ... 5

2.5 TRYCKFALLSANALYS ... 6

2.6 LUFTFUKTIGHET & ÅNGHALT ... 6

2.7 VENTILATIONSMEMBRAN ... 7

3

Metod ... 8

3.1 GANTT-SCHEMA ... 8 3.2 LITTERATURSTUDIE ... 8 3.3 REVERSE ENGINGEERING ... 8 3.4 KRAVSPECIFIKATION ... 8

Innehållsförteckning

4.1 GANTT-SCHEMA ... 10

4.2 LITTERATURSTUDIE ... 10

4.3 FRÅGESTÄLLNING 1 ... 10

4.3.1 Kravspecifikation ... 10

4.3.2 Beräkning av inre tryck ... 11

4.3.3 Beräkning av kondens ... 14 4.3.4 Resultat ... 15 4.4 FRÅGESTÄLLNING 2 ... 15 4.4.1 Reverse enginering ... 15 4.4.2 FMEA ... 17 4.4.3 Generering av testmodul ... 17 4.4.4 Testmoduler ... 19

4.4.5 Tryckfallsanalys under cykelkörning ... 20

4.5 FRÅGESTÄLLNING 3 ... 21

4.5.1 Tryckfallsanalys utan cykelkörning ... 21

4.5.2 Kollapstest ... 25

5

Analys ... 26

5.1 FRÅGESTÄLLNING 1 ... 26

5.2 FRÅGESTÄLLNING 2 ... 26

5.3 FRÅGESTÄLLNING 3 ... 27

6

Diskussion och slutsatser ... 28

6.1 IMPLIKATIONER ... 28

6.2 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 28

6.3 VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 28

Referenser ... 29

Introduktion

1

Introduktion & bakgrund

Detta kapitel ger en introduktion till det ämne som behandlas i examensarbetet och den

problembeskrivning som presenterats tillsammans med uppgiften. Därefter följer

arbetets syfte och frågeställningar samt arbetets avgränsningar och rapportens

disposition.

1.1 Bakgrund

I dagens fordonsindustri söker kunder högkvalitativa produkter till lågt pris [1]. Från lansering av en ny produkt är det viktigt att hela produktens livscykel tas i beaktning för att behålla produktens lönsamhet fram tills att den tas ur sortimentet [2]. Fordonsindustrin utvecklas konstant och ställer hårda krav på sina underleverantörer. Som underleverantör är kvalitetsförbättringar på produkter och insatser för att göra dem mer kostnadseffektiva i produktion under en aktiv produkts livscykel, en viktig del för att hålla sig konkurrenskraftig och inte tappa marknadsandelar inom den sektor där företaget är verksamt. Produktvård för att förbättra produkter och minimera riskerna med kvalitetskritiska komponenter är en viktig del i detta arbete. [1]

Kongsberg Automotive har sitt ursprung inom det norska företaget Kongsberg Våpenfabrik som har sina rötter i den militära sektorn. Efter ett beslut att tillverka bromskomponenter till fordonsindustrin startades den del av Kongsberg som endast arbetar mot fordonsindustrin. Idag arbetar företaget med utveckling av flera produkter till fordonsindustrin däribland växelspakar och dess underliggande system, det är inom denna del examensarbetet utförts. Inom denna bransch eftersträvas en mer digitaliserad hårdvara. Detta för att kunna minska antalet mekaniska komponenter vilket sparar plats men även för att eliminera handhavande fel. I en av Kongsbergs produktkategorier finns en aktuator (ställdon) som monteras på en växellåda. Denna produkt använder sig av en elektronisk signal för att integrera med bilens växellåda och skifta växelläge. Med denna produkt elimineras en del komponenter som tidigare var mekaniska och det finns möjlighet att införa elektroniska säkerhetsprotokoll för att förhindra handhavandefel. [3]

Då aktuatorn är monterad på växellådan i bilens motorutrymme medför det att den blir utsatt för ett extremt klimat i form av temperatur, smuts och vätska. Då detta är en produkt som innehåller kritisk elektronik är det av stor vikt att aktuatorn vidhåller en god täthet och inte blir påverkad av denna miljö. Som en del i vidareutvecklingsarbetet med denna produkt vill Kongsberg undersöka om det skulle vara möjligt att eliminera en av de kvalitetskritiska och kostnadsdrivande komponenterna som ingår i aktuatorn.

1.2 Problembeskrivning

Kongsberg vill förändra tillverkningsmetoden av den befintliga aktuatorn med målsättningen att minska tillverkningskostnaden och öka dess validitet om livslängd. I samband med en förändring i konstruktionen behövs det undersökas om produkten behåller sina grundläggande krav om täthet. Aktuatorn är säkerhetsklassad vilket innebär att vid ett misslyckande kan den orsaka personskada. Av denna anledning krävs en noga validering av aktuatorn. Produkten har idag en IP klassning, IP66K vilket är en vidareutveckling av IP66 speciellt framtagen för fordonsindustrin. [4]

När aktuatorn tillverkas blir dess ingående komponenter tillsammans med luft inkapslade inuti en skyddande kapsel. Då produkten skall användas i skiftande klimat innebär det att den

Introduktion

Runt den utgående axel som integrerar med växellådan sitter en radialtätning som skyddar kapslingen ifrån det yttre klimatet. I samband med det förhöjda tryckförhållandet som uppstår vid en eliminering av ventilationsmembranet så finns det en oro för påverkan av radialtätningens livslängd. Det finns även en oro över läckage vid det kontaktdon som ansluts till bilens elektroniska styrsystem. Det är av stor vikt att hitta, granska och utvärdera eventuella svagpunkter före beslut om förnyad konstruktion tas.

1.3 Syfte och frågeställningar

Syftet med arbetet är att undersöka om en eliminering av det befintliga ventilationsmembranet påverkar produktens grundläggande krav om täthet och livslängd. Detta har åstadkommits genom beräkningar och testning hos Kongsberg.

Därmed är studiens frågeställningar:

[1] Hur påverkas produktens tryckkänsliga komponenter av en eventuell eliminering av ventilationsmembranet?

[2] Hur kan produkten testas för att säkerställa om ventilationsmembranet kan elimineras?

[3] Hur tät är nuvarande aktuator vid en eliminering av ePTFE membran?

1.4 Avgränsningar

• Hållfasthet hos nuvarande förslutning av plasthus via skruvförband och CIPG-tätning kommer ej tas om hänsyn, kommer hanteras som homogen.

• Ett fullskaligt livscykeltest uteblir på grund av projektets tidsram. • Beräkningar sker med hänsyn till en homogent tät produkt. • Test sker endast på en liten serie om 4 enheter.

1.5 Disposition

Rapporten inleds med en bakgrund kring arbetet där både berört företag och produkt benämns samt aktuella problemet. Därefter läggs en teoretisk grund i form av tidigare kända fakta. Därefter blir de relevanta metoderna för arbetet benämnda och förklarade i korthet. Beräkningar och experimentell analys genomförs och blir sedan parallelliserade mot den teoretiska grunden. Efter det kan slutsatser dras och rekommendationer om vidare arbete ges.

Teoretiskt ramverk

2

Teoretiskt ramverk

Detta kapitel ger en teoretisk översikt av de ämnen som behandlats under arbetet.

2.1 Aktuator (ställdon)

En aktuator, ofta benämnt ställdon på svenska, är en överföring ifrån en energikälla till en mekanisk rörelse. Aktuatorer har många användningsområden och återfinns i produkter med behov att öppna och stänga ett flöde eller göra en förflyttning framåt eller bakåt av ett föremål. Den aktuator som är relevant detta arbete är en elektriskt styrd aktuator som genom elektronisk signal från växelspaken kontrollerar en elektrisk motor i aktuatorn som sedan flyttar en kugghjulsväxel. På detta sätt skiftar bilen växel. Med denna bakgrund kommer enbart en elektrisk styrd aktuator tas i beaktning, det finns även alternativa energikällor såsom hydrauliska eller pneumatiska. Den elektriska aktuatorn kontrolleras med hjälp av antingen integrerat kretskort alternativt ett externt system som skickar styrsignaler till motorn. Komplexiteten varierar beroende på användningsområde men även tillverkare.[6]

2.2 Täthet vid elektronisk inkapsling

En kapsling är oftast två delar som sammanfogas till en tät förslutning. De komponenter som kapslas in är ofta i behov av att integrera med kapslingens utsida. Detta sker vanligen genom elektronisk kommunikation eller mekanisk rörelse. I detta fall används en radialtätning som en del av kapslingen för att förhindra vätska från att tränga in samtidigt som en axel tillåts rotera mekaniskt. För att avgöra hur tät en inkapsling är används IP klassning. Klassificeringen av en produkt avser hur väl den inkapslade elektroniken skyddas mot vatten, smuts, inträngande föremål och beröring. [4]

För att möjliggöra att de inkapslade komponenterna ska kunna integrera med utsidan av kapslingen används ett kontaktdon. Kontaktdon är ett samlingsord för snabbanslutningar mellan en produkt och ström eller kommunikationskälla. Anslutningen mellan kontaktdonet och inkapslingen måste vara tät i de fall då de inkapslade komponenterna är känsliga för den yttre miljö de har kapslats in för att skyddas mot. [7]

2.3 Dynamisk tätning

En dynamisk tätning tillåter rörelser mellan de ytor som den är i kontakt med. Vid låg rotationshastighet och icke konstant rörelse kan i vissa fall olika typer av o-ring användas som dynamisk tätning. Enligt Gogh Joule effekten tenderar tätningarna att vid högre temperaturer och påfrestning förminskas och löper därav en risk för läckage. Om tätningen under en längre tid utsätts för ett högt tryck och därav ändrat form finns det risk för en sättning. Vid en sättning innebär det att tätningen har vidtagit en permanent förändring och kommer inte återgå till sin ursprungliga form. Detta kan resultera i att den förlorar sin täthet. [8]

2.4 Tryck

Tryck är ett mått på en kraft över area och har SI-enhet pascal (Pa). Ett absoluttryck innebär det totala trycket med utgångspunkt ifrån vakuum och kan därför aldrig vara negativt, absoluttrycket är summan av det normala tryckförhållandet plus eventuellt övertryck eller undertryck. För beräkning av trycket hos ideela gaser används vanligen den allmänna gaslagen och är lämpligast vid lågt tryck och höga temperatur [9].

Teoretiskt ramverk

Då luft inte är en ideal gas så uppstår en viss felmarginal vid beräkning enligt den allmänna gaslagen (2.1), därför kan en kompensationsfaktor Z införas vid beräkning.

p V = Z n R T

(2.2)

I de fall volym och substansmängd anses vara konstant kan Gay-Lussacs första lag användas.

𝑝1 𝑇2

𝑇1

= 𝑝

2 (2.3)

Där

𝑝

1 och

𝑇

1 utgör begynnelsevärdet av tryck respektive temperatur.

𝑇

2 är den nya

temperaturen och

𝑝

2 resulterar i det nya trycket.

2.4.1

Övertryck och undertryck

Övertryck innebär att trycket inuti en sluten volym är större än trycket utanför volymen. Då undertryck är motsatsen till övertryck betyder det att trycket i en sluten volym är lägre än trycket utanför volymen. Då luft och gaser i allmänhet eftersträvar jämvikt resulterar övertryck eller undertryck i krafter som påverkar volymen. Nedan följer en visuell representation av hur dessa krafter påverkar en volym vid Figur 1 övertryck samt Figur 2 undertryck. [10]

Figur 1: Volym utsatt för krafter vid övertryck

Teoretiskt ramverk

2.4.2

Atmosfärstryck (Lufttryck)

Lufttryck är ett mått på luftens vikt över en yta, detta mäts i hektopascal. Om luften befinner sig stilla även kallat ”befinner sig i vila” görs mätningen från mätpunktens höjd till atmosfärens övre gräns. Detta mäts med hjälp av en barometer. Vid havsytan är lufttrycket cirka 1000 hPa, detta brukar kallas normalt lufttryck. Trycket sjunker när höjden från havsytan ökar. [11] Det atmosfäriska trycket varierar och är beroende av ett flertal faktorer. Då lufttrycket för en plats aldrig är det exakt samma som för en annan plats har standarder tagits fram för att möjliggöra beräkning av lufttryck [12]. De vanligaste är Normal Temperature Pressure, NTP och Standard Temperature Pressure, STP. Nedan följer

Tabell 1

med ingångsvärden för beräkning av tryck med NTP och STP.

Tabell 1: Ingångsvärden vid beräkning av tryck

En barometrisk formel används för att beräkna tryckskillnader vid en altitudförändring. Lufttrycket minskar i samband med att altituden ökar enligt ekvation (2.4) nedan.

𝑃 = 𝑃

𝑏

[1 +

𝐿_𝑏 𝑇_𝑏

ℎ]

−𝑔0 𝑀

𝑅 𝐿𝑏

_(2.4)

Där P är det resulterande trycket, Pb utgör det aktuella atmosfärstrycket vid havsytan, Lb är en

konstant för temperaturavtagande -0.0065 K/m, Tb är temperaturen vid havsytan, ℎ är den

aktuella positionens höjd över hav, g0 är gravitationskonstant, 𝑀 utgör luftens molmassa 0.029

kg/mol och 𝑅 är den allmänna gaskonstanten 8.31 J mol-1K-1.

2.4.3

Hydrostatiskt tryck

Hydrostatiskt tryck är det tryck en volym utsätts för som befinner sig i vätska. Det totala hydrostatiska trycket på en volym är summan av både lufttrycket och vätsketrycket. Detta beräknas genom ekvation (2.5) och illustreras grafiskt i

Figur 3

en volym som utsätts för hydrostatiskt tryck.

P = P0+(ρ g h) (2.5)

Där P är det resulterande hydrostatiska trycket, P0 är det aktuella atmosfärstrycket, ρ utgör

densiteten på aktuell vätska, g är gravitationskonstant och h är det djup volymen befinner sig på.

Standard Temperatur (C°) /(K) Atmosfäriskt tryck (Pa)

NTP 20 / 293.15 101 325

Teoretiskt ramverk

2.5 Tryckfallsanalys

En tryckfallsanalys bygger på ett praktiskt test där ett objekt trycksätts med ett specificerat tryck i en kontrollerad miljö. Därefter mäts eventuell tryckförändring över tid för att få en uppfattning om läckagets storlek. Därefter är det möjligt att utvärdera tätheten hos en inkapsling. [13]

2.6 Luftfuktighet & ånghalt

I ett naturligt klimat innehåller den omgivande luften vattenånga, mängden vätska mäts i g/m3 och kallas för ånghalt. Mängden ånga luften kan binda är direkt temperaturberoende där den vid högre temperaturer kan absorbera en större mängd vätska, alltså vidhålla en högre ånghalt. Mättnadsånghalt - även kallat daggpunkt är den mängd vatten i (g/m3_{) som luften kan} bibehålla i gasform vid en specifik temperatur. Specifika mättnads värden återfinns i befintliga i tabeller tillhandahållna av fukthandboken.

Figur 2:Illustration av daggpunkt i förhållande till temperatur

Relativ fuktighet - mäts i procent och är vanligt förkommande i metrologiska sammanhang. Dess procent baseras på hur mycket vätska det är i luften jämfört med dess daggpunkt vid den specifika temperaturen. Till exempel så innebär en relativ fuktighet på 80% vid 20 grader att mängden vätska skulle kunna absorberas med ytterligare 20% innan det skulle kondensera. 80% luftfuktighet vid en högre temperatur skulle innebära en större mängd vätska i g/m3 _men fortfarande vara 80% i förhållande till den maximala daggpunkten.

Vattenångan kondenserar på ytor som har en lägre temperatur än aktuell lufttemperatur. Vid kondensation eller vätskebildning kan mängden vätska i flytande form räknas ut med avseende på den aktuella temperaturen, om den absoluta fukthalten är känd sedan tidigare kan man med hjälp av en formel och tabell beräkna mängden vätska som kommer bildas.[14]

𝑣 = 𝑅

ℎ

𝑣

𝑠 (2.6)

Där

𝑣 är den aktuella ånghalten i luften,

𝑅

ℎ utgör den relativa fuktigheten,

och 𝑣

𝑠

är

mättnadsånghalten vid en specifik temperatur.

Volymen vätska i luften kan beräknas genom hänsyn till den aktuella volymen luft och den uträknade ånghalten. Genom det kan vätskans vikt beräknas enligt (2.7), därefter beräknas volymen enligt (2.8).

𝑚 = 𝑉

𝑙𝑢𝑓𝑡 v (2.7)

𝑚 utgör vätskans massa, 𝑉

𝑙𝑢𝑓𝑡

är volymen luft och v

är specifika ånghalten.

0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Mä tt n ad sån gh alt g/m 3 Temperatur ° C

Teoretiskt ramverk

Om massa och ämnets densitet är känt kan volymen räknas ut genom följande

ekvation.

𝑉 =

𝑚

𝜌

(2.8)

𝑉 är volymen vätska, 𝑚 är vätskans massa och 𝜌 är vätskans densitet.

2.7 Ventilationsmembran

Ett ventilationsmembran är en plastfilm tillverkad av e-PTFE som är en polymer under kategorin fluorplast. Materialet blir under tillverkningen manipulerat genom att snabbt expandera materialet vilket bildar mikroskopiska håligheter inom materialet, detta ger materialet porösa egenskaper. Genom en kontrollerad tillverkning ges möjlighet till materialet att låta gaser passera genom materialet men också egenskap att blockera vätska. Materialet är allmänt känt som Gore-Tex som är ett registrerat varumärke.[5]

Ventilationsmembran har ett brett användningsområde däribland inom elektronik. Det är en vanlig metod för att hantera kondens inuti en inkapsling då den ger möjlighet att neutralisera inre klimat med det omgivande. Den används även där det finns behov av att neutralisera tryckskillnader. Det finns olika typer av membran beroende på användningsområde, olika flöden och känslighet men även olika former. [15]

Metod

3

Metod

I detta kapitel beskrivs de metoder och tillvägagångssätt som använts under arbetets

gång.

3.1 GANTT-schema

Vid examensarbetets start planerades projektet genom skapandet av ett GANTT-schema. Detta för att skapa en uppfattning av arbetets bredd och tidsaspekt. De olika aktiviteter som ansågs nödvändiga för projektets genomförande identifierades. Tidsåtgång till varje aktivitet uppskattades och sedan sattes aktiviteterna i förhållande till varandra genom att identifiera föregångare, efterträdare och vilka som kunde startas och genomföras parallellt. Olika delmål, eller milstolpar, planerades in vid avslut av de aktiviteter då en extra avstämning av arbetets fortgång ansågs nödvändig och godkännande från företagets sida behövdes innan arbetet kunde fortgå. Tidplanen användes kontinuerligt genom arbetets gång för att följa upp att tidigare uppsatt arbetstempo och aktiviteter genomfördes som planerat. [16]

3.2 Litteraturstudie

Metoden litteraturstudie användes under flera skeden av arbetet. I tidigt skede av projektet samlades grundläggande information om företagets verksamhet in. Även grundläggande information om aktuatorer och hur dessa produkter fungerar för att få förståelse och kunskap om den produkt som skulle behandlas under examensarbetet. För att samla information relaterat till undersökandet huruvida ventilationsmembranet kunde elimineras ur aktuatorns konstruktion eller ej gjordes litteraturstudie inom ämnena täthet, tryck, och luftfuktighet. Databasen och sökmotorn ”Primo” användes eftersom den innehåller böcker och vetenskapliga artiklar inom tekniska områden. För att finna standarder relaterat till IP-klassning och tätningar användes Svenska Institutet för Standarders databas.

Eftersom fordonsindustrin är en bransch som är väl omskriven gav sökningarna i databasen för många träffar för att all litteratur skulle kunna läsas igenom under den del då grundläggande information om ämnet samlades in. Därför valdes ett tillvägagångssätt för att sålla bort och begränsa urvalet till en hanterbar mängd. Metoden baserades på Patel och Davidson [15 pp. 46-47] att i ett första skede sålla bort material baserat på titlar. De som togs vidare till nästa steg sållades sedan ytterligare ett steg baserat på innehållet i bokens eller artikelns sammanfattning. Det material som ansågs lämpligt att ta vidare från detta steg lästes i sin helhet och inkluderas i arbetet.

När det gällde den del av litteraturstudien som behandlade täthet, tryck och luftfuktighet gjordes en inriktning mot läromaterial eftersom under denna del av arbetet behövdes information om ekvationer och tillvägagångssätt vid beräkning.

3.3 Reverse engingeering

För att få en djupare förståelse för den för arbetet aktuella aktuatorn och hur denna är konstruerad användes tekniken reverse engineering. Denna metod bygger på att en befintlig produkt successivt demonteras för att ge en inblick i produktens konstruktion och olika komponenters funktioner[14, pp. 527]. I detta arbete användes denna teknik främst för att förstå var testutrustning kunde monteras utan att störa produktens funktioner under pågående testning.

3.4 Kravspecifikation

En kravspecifikation skrivs för att sammanställa de krav produkten måste uppfylla för att kunna uppfylla dess syfte. En kravspecifikation kan formuleras med hjälp utav olika riskanalyser alternativt dialoger med kund. [14, pp. 150]

Med stöd av den kunskap om produkten som skapades under reverse engineering kunde en kravspecifikation för aktuatorn utan ventilationsmembranet skrivas. [14, pp. 150]

Metod

3.5 FMEA – Failure Mode and Effect Analysis

En riskanalys utförs för att få en insikt i problemet och validera dess risk. I detta fall låg fokus på produktmisslyckande där påföljd kunde innebära person- eller materiella skador. Denna typ av analys används ofta inom bilindustrin. Metoden bygger på att genom antagande och vetskap bryta ner produkten i dess olika komponenter och därefter vikta riskerna och påföljderna om respektive risk inträffar. Rekommendationer för hur en risk kan minimeras eller undvikas läggs även till. [14, pp. 315]

I detta arbete användes FMEA som en bakgrund till det testprogram som togs fram för att verifiera om ventilationsmembranet kunde elimineras eller ej.

3.6 Konceptgenerering av testmodul

En teknik för konceptgenerering är brainstorming. Detta används för att snabbt generera många idéer[14, pp. 166]. Därefter görs en analys med hjälp av olika beslutsunderlag såsom beslutsmatriser, kravspecifikationer, eller dialoger mellan berörda parter för att avgöra vilka av de genererade koncepten som skall tas vidare. I detta arbete användes konceptgenerering för att skapa underlag till den testning som var nödvändig för att avgöra om ventilationsmembranet kunde elimineras eller inte.

3.7 Beräkning

Från den information som erhölls från litteraturstudien gavs en förståelse för att beräkningar kunde svara på frågan kring hur produkten skulle påverkas av en eliminering av ventilationsmembranet. Beräkningar gjordes på tryckfall vid variation av altitud och temperatur samt vätskebildning vid kondens. [16]

3.8 Experimentell analys

En experimentell analys innebär att genom olika metoder analysera ett eller flera specifika problem eller brister under kontrollerade former. Utrustning och förutsättningar som krävs varierar beroende på specifikt test. [14, pp. 149]

En tryckfallsanalys gjordes i två steg på de framtagna testmodulerna. I båda stegen trycksattes modulerna enligt värden framtagna genom beräkning. Tryckförändringen observerades i båda fallen över tid via en trycksensor. I den första analysen undersöktes tryckfallet under normala tryckförhållanden. I den andra mätningen utfördes en kontroll över det beräknade extremförhållandet. Den experimentella analysen avslutades med ett kollapstest där testmodulerna succesivt utsattes för värden utöver dem beräknade för att undersöka dess verkliga kapacitet innan fel uppdagades.

3.9 Validitet och reliabilitet

I och med att kapseln kommer att utsättas för ett trycktest med luft så är testkraven hårdare än de specificerade. I och med att fria luftmolekyler i gasform har lättare att tränga igenom material och öppningar än vätska så kan resultatet bli missvisande. Då allt är beroende på varierande klimat kan inte en fullkomlig analys göras då detta skulle kräva en mycket större studie, där varje individuell situation skulle behöva analyseras och bedömas individuellt. Extremvärden och osannolika klimat har tagits som referens för att försäkra sig om att den kommer hålla i alla tänkbara miljöer.

Genomförande och resultat

4

Genomförande och resultat

Kapitlet ger en beskrivning av studiens resultat samt studiens genomförande.

4.1 GANTT-schema

Skapandet av GANTT-schemat resulterade i en översikt av arbetet och de aktiviteter som var nödvändiga för projektets genomförande. En fullständig presentation av GANTT-schemat finnes i Bilagor.

4.2 Litteraturstudie

Litteraturstudien resulterade i en översikt av det ämne som behandlats under examensarbetet och den produkt som varit i fokus under arbetet. Eftersom uppgiften var att undersöka om ventilationsmembranet i aktuatorn kunde elimineras var det för studien viktigt att i ett första skede ta reda på hur ett eventuellt borttagande av denna komponent skulle påverka produkten teoretiskt. Genom en granskning av teori kunde ekvationer för beräkningar utav tryck och kondens tas fram. Beräkningarna återges i sin helhet i 4.3.2 och 4.3.3, sedan följer resonemang kring resultaten av dessa i 4.3.4.

4.3 Frågeställning 1

Examensarbetets första frågeställning var ”Hur påverkas produktens tryckkänsliga komponenter av en eventuell eliminering av ventilationsmembranet?”. Vid en eliminering av ventilationsmembranet förändras grundliga förutsättningar för konstruktionen i form av att produkten inte längre kan ventilera och neutralisera tryckförändringar som beror på variationer i temperatur. Nedan följer stegvis processen för att kunna besvara studiens första frågeställning.

4.3.1 Kravspecifikation

Varje kund till företaget har olika krav på produkten och därmed skapas en individuell kravspecifikation tillsammans med den aktuella kunden. Produkten har en grundläggande specifikation som kan modifieras efter behov med olika tillägg och önskemål. Nedan följer den grundläggande kravspecifikationen. Den användes i detta arbetet eftersom ingen specifik kund var inblandad.

Tabell 2: Kravspecifikation Aktuator ARC

Krav Specifikt värde

1. Skall klara temperaturområde -40° till 120°

2. Uppfylla kapslingsklass IP 6K9K, IP 6K7

3. Skall klara mekanisk chock 50 m/s2

4. Skall klara långvariga vibrationer 20 m/s2 _{i 24 timmar}

5. Får inte innehålla specifika ämnen Enligt CDA 278

Om ventilationsmembranet skulle plockas bort skulle som nämnts produkten inte längre kunna ventilera och utjämna tryckförändringar. Detta är ett krav som i den befintliga specifikationen inte fanns med. Då membranet elimineras blir det relevant att lägga till ett altitudkrav i specifikationen. Enligt tidigare benämnt under 2.4.2 Atmosfärstryck så blir det atmosfäriska trycket lägre i samband med en ökad altitud. Enligt institutet Institut Cartogràfic de Catalunya (IGN-E) ligger ”Khardung la” en passage i Indien på en höjd omkring 5335.9-5536 m ö.h.[18]. Denna anses vara en av de högst belägna motortrafikerade vägarna, det påstås att det finns motortrafikerade vägar med högre altitud men med tvivelaktiga mätdata. Därav kommer 6000 m.ö.h att användas i kravspecifikationen för att eliminera eventuella felmarginaler.

Genomförande och resultat

Vid denna altitud måste produkten kunna vara fullt operativ, alltså klara av resterande krav enligt specifikationen. Det finns även ett behov av att aktuatorn skall kunna transporteras via flygtransport. Vid en flygtransport finns det dock inget behov av dess operativa temperaturer utan är endast beroende på omgivande klimatet. Därför infördes ett krav där aktuatorn skall vara fullt funktionell på en höjd om 6000 m ö.h. Det infördes även ett krav om altitudhöjd på 10 000m vid naturligt klimat.

4.3.2 Beräkning av inre tryck

En jämförelse mellan NTP samt STP och även en jämförelse mellan beräkningsmetoderna 2.1 och 2.3 gjordes för att få en uppfattning om resultatens bredd och relevans. Kompensationsfaktorn z var mellan 0.998 och 1 och har därför försummats och luften har ansetts som en ideal gas. Då kompensationsfaktorn har valts att förbises så kan Gay-Lussacs lag (ekvation 2.3) användas i de sammanhang substansmängd och därav volym förblir konstanta.

Med hjälp utav STP Och NTP beräknas det inre trycket i aktuatorn enligt följande. Beräkningen sker med antagande av att produkten är lufttät vilket resulterar i att volym och substansmängd är konstant. Tryckskillnaden är beräknad med avseende på att aktuell standard råder utanför kapsling. Vid beräkning av över och undertryck enligt (2.1) Allmänna gaslagen beräknades volymen med hjälp av CAD (se bilaga 2) och substansmängden förblev konstant utifrån specifik standard.

Tabell 3: Tryck baserat på Allmäna gaslagen, ekvation (2.1) enligt (STP), (NTP)

Temperatur (C°) /(K) Tryck (Pa): STP Tryck (Pa): NTP

-40 / 233.15 -14 644 -20 739

0 / 273.15 0 -6 913

20 / 293.15 7 322 0

120 / 393.15 43 932 34 564

Tabell 4: Tryck baserat på Gay-Lussacs lag, ekvation (2.3) enligt (STP), (NTP)

Temperatur (C°) /(K) Tryck (Pa): Tryck (Pa): NTP

-40 / 233.15 -14 644 -20 739

0 / 273.15 0 -6 913

20 / 293.15 7 322 0

120 / 393.15 43 932 34 564

(Mer detaljerat finns under bilaga 3)

Beräkningar med hjälp av STP anses i detta fall missvisande då det skulle innebära att kapslingen skulle behöva monteras vid ett nollgradigt klimat för att substansmängden skulle

Genomförande och resultat

Beräkning av inre tryck vid högre altitud

Enligt den kravspecifikationen som sammanställdes så skall aktuatorn bibehålla sin funktionalitet vid dess operativa temperaturer om 120◦ till -40◦ på en höjd om 6000 m ö.h. Den skall även klara av flygtransport där den ej behöver operativa temperaturer.

Antaget att produkten blivit monterad under rådande omständigheter enligt NTP så skapas ett övertryck inuti aktuatorn genom enbart en förflyttning ifrån 0 till 6000 m ö.h. Det atmosfäriska trycket beräknas enligt följande med hjälp utav ekvation (2.4).

101 325

∙

[1 +

−0.0065_293.15 ∙

(6000)]

−9.81 ∙ 0.029 8.31 ∙ −0.0065

= 47 772 𝑃𝑎

(4.1)

Det atmosfäriska trycket på 6000 m ö.h är enligt ekvation (4.1) 47 772 Pa vilket innebär att det är ett övertryck inuti aktuatorn.

Tryckskillnaden vid temperaturförändring beräknas som tidigare med hjälp av ekvation (2.3). Övertryck beräknas mot det aktuella atmosfärstrycket 47 772 Pa på 6000 m ö.h.

Tabell 5: Tryckskillnaden beroende på temperatur

Temperatur (C°) /(K) Absoluttryck (Pa) Övertryck (Pa)

-40° / 233.15 80 587 32 815

20° / 293.15 101 325 53 553

60° / 333.15 115 151 67 379

120

° / 393.15

135 889 88 117

Vid en altitud på 10 000 m ö.h har atmosfären enligt tidigare Barometriska höjdformeln (2.4) ett atmosfärstryck på 15 945 Pa uträkning (4.2).

101 325

∙

[1 +

−0.0065_293.15 ∙

(10 000)]

−9.81 ∙ 0.029 8.31 ∙ −0.0065

= 15 945 𝑃𝑎 (4.2)

Enligt ISO 2533:1975 är det en temperaturförlust om -0.0065 K/m vid altitudförändring. Totala temperaturförlusten med hänsyn till altituden beräknas i (4.2). Utgår ifrån NTP och 293.15 K

vid havsytan.

−0.0065

∙

10 000 = −65 𝐾

(4.3)

−65 + 293.15 = 228.15 𝐾

(4.4)

Det nya trycket blir då enligt ekvation (2.3) där

𝑇

2 utgörs av (4.4): 101 325 ∙ 228.15

293.15

= 78 858 𝑃𝑎

(4.5)

Då blir tryckskillnaden med hjälp av ekvation (4.5) och (4.2):

78 858 − 15 945 = 62 913 𝑃𝑎

(4.6)

Vilket innebär ett lägre övertryck än om produkten skulle bli använd på en altitud om 6000m vid en högre arbetstemperatur.

Genomförande och resultat

Hydrostatiskt tryck

Enligt grundkrav ifrån specifikationen ska aktuatorn klara av att genomgå ett test för enligt ISO 20653:2013 för krav om IPX7. Under testet skall produkten bli nedsänkt i vatten på ett djup om 1m och förbli tät i 30 minuter.

Det hydrostatiska trycket beräknas enligt ekvation (2.5).

Enligt beräkning med avseende till NTP blir trycket mot aktuatorn vid testtillfället enligt nedan. Vatten har densiteten 998 kg/m3 _[19].

101 325 + (998 ∙ 9.81 ∙ 1) = 111 125 𝑃𝑎

(4.7)

Under tidigare konstruktion har ventilationsmembranet kunnat justera det övertryck som bildats under upphettning, detta resulterar i att det finns en lägre substansmängd då trycket baseras på att molekylerna är mer rörliga under varmare temperaturer. När gasen sedan kyls kommer molekylerna att ta en mindre volym och därmed skapa ett mindre tryck. Då aktuatorn befinner sig under vatten vid detta tillfälle så fungerar inte membranet som en tryckregulator. Den substansmängd som membranet har ventilerat blir nu ett större undertryck jämfört med det omgivande hydrostatiska trycket.

Tryck med ventilationsmembran:

Skillnaden i substansmängd kan beräknas genom en omskrivning av den allmänna gaslagen (2.1).

𝑛 =

(𝑝_(𝑅𝑉)

𝑇) (4.8)

I rådande NTP förhållande innehåller aktuatorn en substansmängd enligt ekvation (4.8) där volymen utgörs av beräkning ifrån bilaga 2:

101 325 ∙0.000170668

8.31 ∙ 293.15

= 0.00709868 𝑚𝑜𝑙

(4.9)

I ett 120° förhållande innehåller aktuatorn en substansmängd enligt ekvation (4.6):

101 325 ∙ 0.000170668

8.31 ∙ 393.15

= 0.00529309 𝑚𝑜𝑙

(4.10)

Genom en omskrivning av ekvation (2.1) kan trycket beräknas.

𝑃 =

𝑁𝑅𝑇

𝑉 (4.11)

Om aktuatorn vid 120°C hastigt skulle sänkas ner i vatten och kylas ner till 0°C skulle det innebära ett nytt tryck enligt (4.11):

0.00529309 ∙ 8.31 ∙ 273.15

0.000170668

= 70 398 𝑃𝑎

(4.12)

Det omgivande hydrostatiska trycket är sedan tidigare beräknat i (4.7) till 111 125 Pa. Detta resulterar i ett undertryck inuti aktuatorn på.

Genomförande och resultat

Tryck utan ventilationsmembran:

I med att aktuatorn utan ventilationsmembran antas vara tät förseglad så kommer samma substansmängd att bibehållas, därav kan Gay-Lussacs lag (ekvation 2.3) användas. Då bir det nya trycket vid noll grader enligt (4.14):

101 325 ∙ 273.15

293.15

= 94 412 𝑃𝑎

(4.14)

Genom att beräkna mellanskillnaden på det hydrostatiska trycket beräknat i (4.7) och det inre trycket beräknat i (4.14) kommer det vid detta tillfälle att uppstå ett undertryck enligt (4.15).

94 412 − 111 125 = −16 713 𝑃𝑎

(4.15)

Aktuator utan ventilationsmembran kommer ha ett undertryck på 16 713 Pa.

4.3.3 Beräkning av kondens

Luft med hög temperatur och hög relativ fuktighet är den luft som innehåller mest vätska. Vid Kongsbergs fabrik belägen i Wuxi nära Shanghai, (Kina), var klimatet under en 10-års period enligt data hämtat ifrån worldweatheronline som fuktigast i juli 2013 [20]. En medeltemperatur på 30° C och ett medelvärde på 74% relativ fuktighet. Luft har vid 30° C en mättnadsånghalt på 30,31 g/m3_{[21], detta är alltså den hundraprocentiga fuktigheten luften kan innehålla innan det}

bildas dagg/vätska.

Genomsnittlig mängd ånghalt i Wuxi juli 2013, beräknad enligt ekvation (2.6).

0.74

∙

30.31 = 22.43

g/m3

_(4.16)

Om aktuatorn monteras under dessa omständigheter innebär det att ungefär 22.43 g/m3

vattenånga skulle bli inneslutet i volymen. Antaget att produkten är tät så kommer samma substansmängd att befinna sig inom kapslingen under dess livstid.

Vid temperaturfall under 24.5° C så börjar luften att kondensera, detta för att en lägre luft-temperatur innebär en lägre mättnadsånghalt. 24.5° C luft har en mättnadsånghalt på 22.37 g/m3 _{enligt tabell [21].}

Aktuatorn ska enligt kravspecifikation förbli funktionell mellan temperaturer -40° C och 120° C. Då luften vid högre temperaturer än 24.5° C kan bibehålla en större mängd vätska i gasform anses detta inte relevant att redogöra i sammanhanget. Mängden vätska som bildas efter 0° C kommer succesivt att övergå till fast form. Genom tabell kan mättnadsånghalt för varje individuell temperatur utläsas mellan -20° C och +30.9° C med intervall om tiondelar. Här blir ett bortfall i uträkningarna mellan -40° C och -20° C.

Vid en temperatur på 0° C så har luften en daggpunkt på 4.86 g/m3_{. Detta innebär att delar av}

den inneslutna ångan beräknad i (4.16) kommer att övergå till en vätskemängd på ungefär:

22.43 − 4.86 = 17.57

g/m3_{. (4.17)}

Vid en temperatur på -20° C har luften en daggpunkt på 0,89 g/m3 _{detta resulterar i:}

22.43 − 0.89 = 21.54

g/m3_{. (4.18)}

För att beräkna specifik massa vätska används ekvation (2.7) där volymen luft är hämtad ifrån bilaga 2 och värden ifrån (4.17) respektive (4.18).

0.0001707

∙

17.57 = 0.00299𝑔

(4.19)

0.0001707

∙

21.54 = 0.00367𝑔

(4.20)

Vatten har en densitet på ungefär 998 kg/m3 _{så blir volymen vätska enligt ekvation (2.8):}

0.00299 998

= 2.99

∙

10

−6

_𝑚

3 _(4.21) 0.00367 998

= 3.68

∙

10

−6

_𝑚

3 _(4.22)

Genomförande och resultat

Tabell 6: Mängd frigjord vätska.

Grader (° C) Mängd vätska (ml)

-20 3.68

0 2.99

24.5 0

4.3.4

Resultat

Produkten förändras i den aspekt att det blir högre trycksvängningar samt en risk för högre vätskebildning vid temperaturförändringar i form av kondens.

Tabell 7: Resultat av beräkningar under rubrik 4.3

Med membran: Utan membran:

Max beräknat övertryck 10 000 Pa 88 117 Pa Max beräknat undertryck 40 727 Pa 16 713 Pa

Maximal mängd vätska - 3.68 ml

4.4 Frågeställning 2

Examensarbetets andra frågeställning var ”Hur kan produkten testas för att säkerställa om ventilationsmembranet kan elimineras?” För att kunna utvärdera aktuatorns nya tryckfall uppkom det ett behov av att trycksätta produkten genom att forcera in den luftmängd som behövs för att få ett önskat övertryck. Det fanns även ett behov av att kunna mäta det aktuella trycket inuti aktuatorns kapsling. Därför genomfördes en generering och utvärdering av en testmodul för att möjliggöra test.

4.4.1

Reverse enginering

Innan en utvärdering var möjlig utfördes en ”reverse enginering” i form utav litterära studier och dialoger med konstruktörer på företaget. Även CAD användes för att få en förståelse i produktens uppbyggnad.

Genomförande och resultat

Komponenter av intresse för arbetet enligt följande rubriker.

Kapslingstätning – Nuvarande tätning består av en CIPG- ”Cured in place gasket” vilket innebär att ett tätningsmaterial appliceras i flytande form och stelnar på plats. Denna kommer i framtiden att ersättas med lasersvetsning och är därför inte relevant i detta arbete.

Plastmaterial för hus - Huset som omger aktuatorns inre komponenter är tillverkat av PA66 gf30 vilket är en glasfiberförstärkt plast. Glasfiber används för att förstärka produktens styvhet då glasfiber fungerar som armering där den kan vidhålla sin styvhet vid skiftande temperaturer. Dess egenskaper ansågs inte relevanta då den i tidigare tester av andra yttre påfrestningar varit mer utsatt än kommande påfrestning.

Ventilationsmembran – Då otillräckliga data fanns att tillgå gjordes ett antagande att ventilen hade snarlika egenskaper som en ventil ifrån leverantören Gore. Med det antagandet behövde befintligt membran ett över eller undertryck på 10 000 Pa uppnås innan ventilen blev aktiv och kunde jämna ut tryckskillnaderna.[22]

Radialtätning (dynamisk tätning) – Även här ansågs det vara otillräckliga data erhållen av leverantör då tester endast utförts på materialet som tätningen var tillverkad av, det fanns ingen information om dess tätningsförmåga i form av tryck, toleranser eller infästning.

Figur 6: Överblick av tätningar

Röd – Kapslingstätning

Blå – Ventilationsmembran

Gul - Radialtätning

Figur 7: Snitt av överblick på tätningar

IP klassning – Aktuatorn har IP klassningar IP 6k9k och IP6k7 vilket innebär att den måste förbli vattentät under de testförhållanden aktuatorn utsätts för. Då produkten tidigare har klarat tester om partikelgenomträngning lades ingen vikt vid detta då materialet görs tätare genom tänkt eliminering, endast ett dränk-test kommer att vara relevant.

Genomförande och resultat

4.4.2

FMEA

En FMEA gjordes för att utvärdera vad ett eventuellt misslyckande av komponent skulle få för påföljd. En översikt kan ses presenterad i

Tabell 8

nedan.

Tabell 8: FMEA

Komponent: Syfte: Orsak: Påföljd: Risk:

Radialtätning

(Dynamisk) Täta mellan axel och kapsel Slitage/sättning av rotation samt tryck Vattenläckage, aktuatorn blir obrukbar

Hög

Elektriska

komponenter Utföra elektronisk signal till

mekanisk rörelse

Kondens av

innesluten luft Obrukbar, (kortslutning) Medel

Kontaktdon Ansluta aktuator

till styrsystem Produktionsfel Vattenläckage. Aktuatorn blir obrukbar

Medel

Kapslingstätning

(CIPG) Skydda ifrån yttre klimat Produktionsfel Vattenläckage. Aktuatorn blir obrukbar

-

Efter resultatet av genomförd FMEA kunde sedan komponenterna rankas efter påverkan vid skada. Som kan ses i

Tabell 8

och i sammanställningen nedan är radialtätningens funktion den mest kritiska för att aktuatorn ska kunna användas utan säkerhetsrisk.

1) Radialtätning

2) Elektriska komponenter 3) Kontaktdon

4) Kapslingstätning

I och med att ventilationsmembranets funktion sedan tidigare var känd att förhindra höga tryckfall samt kondens ansågs radialtätning, kontaktdon samt elektroniska komponenter vara mest påverkade utav en eliminering av membranet. Då kapslingstätning var i samverkan med ett skruvförband rankades den lågt i sambandet.

4.4.3

Generering av testmodul

Genom brainstorming togs olika förslag fram på hur en testmodul skulle kunna trycksättas och mätas. Efter ”brainstorming” konsulterades testansvarig och projektansvarig på Kongsberg. Förslag 1:

En 3D-utskriven platta som blivit förstärkt vid skruvaanslutning. Plattan skulle ha nedsänkningar för att passa det övre

Genomförande och resultat

Förslag 2:

En 3d-utskriven platta som blivit förstärkt vid skruvanslutning. Plattan skulle ha nedsänkningar för att passa det nedre originalkapslingens flänsar, detta för att möjliggöra en individuell mätning på radialtätningen vid axel. Upphöjning för axelfixering. (1,2,3,4) är referenspunkter att ta hänsyn till på originalkapslingen.

Vid montering skulle tätningsmassa

appliceras till den grad då läckage helt skulle kunna uteslutas. Plattan skulle även

integreras med en backventil för

trycksättning samt avläsning av inre tryck. Förslag 3:

Förslaget byggde på en originaldesign av kontaktanslutningen, där signalkablarna vanligtvis leds ut. Här skulle en backventil integreras för att kunna trycksätta

kapslingen för att kunna avgöra tryckfall vid radialpackning. Denna skulle skrivas ut via 3d skrivare och en backventil limmas efterhand.

Förslag 4:

Denna byggde på att en cylinder skulle svarvas till

motsvarande storlek av den utgående axel som integrerar med växellådan och därmed hålla samma tolerans mot

radialpackningen. Denna skulle även ha en backventil och ett öppet hål inuti kapslingen. Detta för att kunna göra ett tryckfallstest på kontaktdonet.

Genomförande och resultat

Förslag 5:

Här föreslogs det att bearbeta befintliga aktuatorer genom att borra upp kapslingen vid positionen för membranet. Här skulle sedan en backventil för trycksättning monteras. Då denna inte behövde vara modulariserad var tanken att inkludera en elektronisk trycksensor.

Olika former av beslutmatris är en vanlig metod att använda för att utvärdera olika koncept i begynnelsefasen, då dessa metoder lämpar sig bäst för grupper om minst 2 personer valdes det att genom en dialog med projektansvarig och testansvarig värdera de olika koncepten. Det fanns en viss oro att de 3D-utskrivna förslagen inte skulle vara lufttäta till den grad som önskades utan bearbetning. Det skulle även innebära ett visst arbete att utforma de olika modulerna och sedermera tillverka dem i en prototypverkstad vilket ansågs för tidskrävande för detta arbete. Då originalprodukter fanns att tillgå med utprövad och kvalitetssäkrad tillverkning togs ett beslut att omarbeta befintliga aktuatorer.

Innan byggnation av testmoduler inspekterades aktuatorn i ett CAD-program för att finna möjliga monteringsplatser för backventil och en elektronisk trycksensor. Då produkten är kompakt skissades en ungefärlig modell av backventil och trycksensor för att säkerställa deras positionering så de inte störde övrig funktionalitet.

Trycksensorn var ifrån Infineon och har använts i föregående tester hos Kongsberg. Val av ventil gjordes genom en uppställning av fyra olika ventiler erhållna från Esska AB, dessa jämfördes sedan mot kravspecifikationen och en ventil med beteckning RUCK18IAMSVN valdes (bilaga 4). Även tätningsmaterialet valdes på likvärdigt sätt som ventilen, då Kongsberg tidigare använt sig utav varumärket Loctite så valdes produkter ur deras sortiment för viktning. Loctite si5980 valdes på grund av dess goda egenskaper och en hög marginal för krafter inför kommande test (Bilaga 5).

4.4.4

Testmoduler

Fyra aktuatorer valdes för att utföra ett tryckfallstest. Två nya och två föråldrade i form utav tidigare livscykeltest. Samtliga fyra behövde monteras isär och borrades upp vid den position där tidigare ventilationsmembran suttit. Det upptagna hålets diameter är 10mm för att rymma den valda ventilen. Även föregående stödpelare som höll membranet på plats fick kapas cirka 10 mm för att ventilens inbyggnad i kapslingen skulle rymmas. Ett hål på 3 mm för kabelgenomföring borrades i anslutning till monteringsposition för trycksensor. Därefter monteras varje aktuator samman med hjälp av dess skruvförband och ett överflöd av Loctite si5980. Det valdes även att lägga ytterligare en tätning utanpå kapslingen i form av sanitetssilikon för att försäkra en god täthet. Detta för att med god marginal kunna utesluta denna tätning ifrån resultatet.

Genomförande och resultat

Figur 8: Bild på backventil och trycksensor

Figur 9: Kapning av stödpelare

4.4.5

Tryckfallsanalys under cykelkörning

Utefter tidigare beräkningar kan de framtagna testmodulerna trycksättas och mätning utföras. Genom att utsätta aktuatorn för det extremfall som tidigare beräknats i frågeställning 1 kan eventuell tryckförlust över tid beräknas. Detta för att få en förståelse för eventuellt läckage men främst säkerställa att radialtätning och kontaktdon förblir intakta under dess livsförhållanden enligt kravspecifikationen. Då aktuatorn inte har krav om lufttäthet är tryckfallet i detta fall inte av speciellt stort värde om det inte det skulle visa sig att aktuatorn har ett lufttätt hölje. Nedan följer beräkningar för det ingångsvärde som aktuatorn bör trycksättas med innan tester börjar. Det maximala övertrycket är sedan tidigare i frågeställning 1 beräknat till ett minimum av 88 117 Pa. Det begynnelsetryck som behövs för att simulera tryckskillnaden vid 6000 m öh. kan beräknas genom ekvation (2.3). Då utgångsläget är enligt NTP-standarden önskas ett absoluttryck på 189 442 Pa vid en temperatur om 393.15 K. Därav blir

𝑝

1= 189 442 Pa

, 𝑇

1=

393.15 K och

𝑇

2= 293.15 K. 189 442 ∙ 293.15

393.15

= 141 256 𝑃𝑎

(4.23)

Aktuatorerna bör alltså ha ett absoluttryck om minst 141 256 Pa givet att det omgivande trycket är enligt NTP.

Backventil

Hål för kabeldragning Trycksensor

Genomförande och resultat

En testplan blev framtaget i samråd med testansvarig på Kongsberg. Testet var tänkt att genomföras på två nybyggda aktuatorer och på två aktuatorer som genomgått tidigare livscykeltest, detta för att validera skillnaden i prestation efter nötning och temperaturåldring. För att simulera den tryckskillnad som skulle uppstå vid 6000 m.ö.h behövdes testmodulerna trycksättas innan tester utfördes.

Vid användning av ett absoluttryck på 155 000 Pa så innebär det att aktuatorn blir 8.8% mer trycksatt än det teoretiska utfallet enligt beräkning (4.24).

141 256

155 000

≈ 8.8%

(4.24)

För att ha en säkerhetsmarginal under 10% infördes det att testmodulerna skulle ha ett inre absoluttryck på totalt 155 000 Pa vid start av test. Den framtagna testplanen ligger som (bilaga 6).

I tabell 9 ligger teoretiska resultat ifall testmoduler skulle bli trycksatta innan test eller inte beräknat med ekvation (2.3).

Tabell 9: Teoretiskt förväntat övertryck

P1 (Pa) T1 (K) T2(K) P2(Pa) ≈Övertryck

(Pa) Trycksatt 155 000 293.15 393.15 207 874 106 549 Ej trycksatt 101 325 293.15 393.15 135 889 34 564

4.5 Frågeställning 3

Examensarbetets tredje frågeställning var ”Hur tät är nuvarande aktuator vid en eliminering av ePTFE membran?” För att kunna utvärdera aktuatorns täthet gjordes ett tryckfallstest där tryckförlust över tid kunde ge en uppfattning om dess täthet. Framtagna testmoduler utifrån frågeställning 2 användes.

4.5.1

Tryckfallsanalys utan cykelkörning

Då tidsramen för arbetet var för kort för att utföra ett fullskaligt test med cykelkörning samt temperaturpåfrestning gjordes en tryckfallsanalys vid stillastående tillstånd och vid rumstemperatur. Resultatet av detta kommer att påvisa tätningsförmågan hos radialtätningen efter att denna har genomgått temperaturförändringar samt nötning av rotation. Det som inte kommer ingå i testet är förmågan att vidhålla täthet vid rotation av utgående axel, samt så kommer information om sättning relativt det nya trycket utebli, alltså hur deformerad radialpackningen skulle bli vid en längre tid av påfrestande tryck.

I tabell 10 namnges dem framtagna testmodulerna under Namn ID samt deras befintliga Löp-nummer ifrån tidigare tillverkning och slutligen Skick där det framgick ifall dem hade genomgått tidigare livstest eller om dem var nya.

Tabell 10: Testmodulernas beteckning

Genomförande och resultat

Samtliga testmodulerna byggdes enligt beskrivet i rubriken 4.4.4 under frågeställning 2. Aktuator 1 visas i sin helhet i figur 10 med tillhörande beskrivning.

Figur 4 Färdig testmodul

Då aktuatorn i detta test inte skulle köras mekaniskt fanns inget behov av att ansluta kablarna vid kontaktdonet på aktuatorn. Det fanns dock ett behov av att integrera kontaktanslutningen under testet då detta utgör en del av den färdiga produkten. Därför tillverkades en ”Blindplugg” vilket var tänkt att simulera det bortfall av kablar som i ordinarie fall befinner sig där. Tätningsmaterialet (det vita på bild) är av knådepoxy (Loctite Repair Putty Universal). Före och efter tillverkning av ”Blindpluggen” kan ses i Figur 11 och i Figur 12

.

Figur 51: Kontakt innan tätning

Figur 62: Kontakt efter tätning

Backventil

Genomförande och resultat

Utförande av tryckfallstest

Testmodulerna trycksattes via dem monterade backventilerna med hjälp av stationerad tryckluft och tryckregulator. Regulator användes för att försäkra att testmodulerna inte skulle utsättas för ett skadligt övertryck. Trycket observerades med hjälp utav de integrerade trycksensorerna, en multimeter (Fluke 87) samt en spänningskub (Aim tti).

Genom den utgående signalkabeln (blå) ifrån testmodulerna så avlästes spänningen via en multimeter. Tryckregulatorn reglerades sedan tills att multimetern visade ungefär ~4.36v. Därefter demonterades tryckluften och ventilen förseglades med en packning och ett skruvlock. Figur 13 visar hur testet var uppriggat. Samtliga testmoduler kontrollerades i ett vattenbad för att avgöra om det fanns visuella läckage. Aktuator 4 uteblev ifrån resultaten om tryckfall då det observerades läckage vid kontrollen i vattenbad.

Figur 73: Uppriggat test

Alla tryckvärden blev noterade i Volt (v) och därefter beräknade genom tillhandahållen formel av leverantör. Trycksensorn är av märket Infineon och bygger på att genom spänningsförändring kunna beräkna det aktuella trycket. Beräkningsmetod (4.24) tillhandahållen av leverantören för specifik trycksensor.

𝑉

𝑂𝑈𝑇

= 𝑉

𝐷𝐷∙

(𝑎

P + 𝑏)

(4.24)

Där

𝑉

𝑂𝑈𝑇

är det avlästa värdet ifrån signalkabeln, 𝑉

𝐷𝐷

är den matade spänningen ifrån

spänningskuben, 𝑎 samt 𝑏 är kalibreringskonstanter för specifik sensor tillhandhållna

av Infineon. P utgör det aktuella absoluttrycket.

Fluke 87

Genomförande och resultat

Resultat av tryckfallstest

Figur 84: Resultat av tryckfall på tesmodulerna.

Samtliga testmoduler trycksattes till omkring 150 kPa +- 10%. Därefter inspekterades de i ett vattenbad för att kunna avgöra ifall det fanns visuellt synligt läckage. Sedermera avlästes värdena manuellt och beräknades. Manuell avläsning skedde i fyra och en halv timmar med trettio minuters intervall. För att få en förståelse för när Aktuator 2 skulle uppnå atmosfärstryck gjordes en approximation med hjälp av Excel.

Vid en approximation skulle modulerna uppnå jämvikt med det yttre atmosfärstrycket enligt tabell 11 nedan. 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Trick i k Pa Tid i timmar

Tryckfall över tid

Aktuator 1 Aktuator 2 Aktuator 3 Lokalt lufttryck

90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 10 20 30 40 50 60 70 Try ck i k Pa Tid i timmar

Approximerat tryckfall över tid

Aktuator 1 Aktuator 2 Aktuator 3 Lufttryck Linjär (Aktuator 1) Linjär (Aktuator 2 ) Linjär (Aktuator 3) Linjär (Lufttryck)

Genomförande och resultat

Tabell 11: Tid för att uppnå atmosfärstryck

Namn ID Tid (h)

Aktuator 1 4.5

Aktuator 2 ~61

Aktuator 3 4.5

4.5.2

Kollapstest

Kollapstestet utfördes för att få en uppfattning om hur aktuatorn skulle klara av högre tryckfall än de teoretiskt möjliga. Detta för att enklare visuellt se vart läckage uppstår och vilken komponent som går sönder först. Testmodulerna trycksattes individuellt till det tryck då det blev visuellt synbart vart det uppstod läckage. En övre gräns bestämdes till ett maximalt övertryck om 400 000 Pa. Aktuatorn placeras i ett vattenbad för att enkelt kunna se läckage. Då trycksensorerna inte har möjlighet att mäta ett värde över 160 000 Pa i absoluttryck användes en tryckregulator där trycket kunde regleras. Ökning skedde succesivt med 25 000 Pa med en intervall om två minuter. Tabell 12 visar vid vilken intervalltid samt vid vilket tryck respektive testmodul gick sönder. Läckagets position är markerat under bilaga 8.

Tabell 12: Resultat av kollapstest

Namn ID Tryck MPa Tid (Min)

Aktuator 1 0.25 1.5 uppstod läckage

vid tätning mellan husen.

Kontaktdon samt radialtätning hölls intakt.

Aktuator 2 0.35 1 uppstod läckage

vid tätning mellan husen.

Kontaktdon samt radialtätning hölls intakt.

Aktuator 3 0.25 1.5 uppstod läckage

vid tätning mellan husen.

Kontaktdon visade ett mindre läckage.

Aktuator 4 (0.15), (0.2) >1 Läckage vid

radialtätning vid 0.15 MPa. Läckage vid kontaktdon

Analys

5

Analys

Kapitlet ger svar på studiens frågeställningar genom att behandla studiens resultat

samt teorin från det teoretiska ramverket genom analys.

5.1 Frågeställning 1

”Hur påverkas produktens tryckkänsliga komponenter av en eventuell eliminering av ventilationsmembranet?”

Enligt beräkningar kommer produkten att utsättas för ett större tryck än vid tidigare konstruktion med ett inkluderat ePTFE membran. Tidigare maximalt tryck har varit runt 10 000 Pa enligt tillverkaren av ventilationsmembranet, då det krävs en viss trycksättning innan luft kan passera fritt genom membranet. Det nya teoretiska övertrycket vid en eliminering av membranet beräknades till cirka 88 000 Pa vilket blir en ökning med nästan en faktor 9. Genom denna tryckförändring ökar stressen på övriga komponenter närmst det atmosfäriska trycket såsom radialtätning, kontaktdon och själva plasthuset. Kontaktdonet kan utsättas för stress men innan utförda tester är den svårbedömd. Vid radialtätningen finns det en risk för sättning om aktuatorn skulle bli utsatt för extrema värden under en längre period, därav tappa sin tätningsförmåga.

I teorin skulle en eliminering av membranet även innebära en ökad mängd vätskebildning i form utav kondens. Tidigare har ventilationsmembranet kunnat ventilera ut vattenånga för att balansera den kapslade luftfuktigheten med det yttre klimatet. Under ett IP-test visar det enligt teorin att kapseln skulle uppleva en mindre påfrestning i form av undertryck då membranet har eliminerats. Detta innebär att produkten troligtvis inte är lika benägen att ta in vatten, förutsatt att övrig tätning har vidhållit sin grundkvalitet.

Beräkningar gjordes enligt en internationell standard NTP vilket hänvisar till ett generellt medelvärde av lufttrycket. Då beräkningarna är baserade på att aktuatorn är homogent lufttät blir resultatet högre än om produkten inte skulle vara lufttät. För att få en korrekt beräkning på en specifik aktuator vid en specifik plats och klimat så måste de verkliga värdena tas om hänsyn.

5.2 Frågeställning 2

”Hur kan produkten testas för att säkerställa om ventilationsmembranet kan elimineras?” Genom en omarbetning av befintliga aktuatorer kan testmoduler skapas med hjälp av den beskrivning som återfinns under (4.4.4 tesmoduler). Detta dels för att de var täta i materialet men höll också de toleranser som framtida produkter kommer vidhålla. Efter att tesmoduler framtagits kan eventuella tryckskillnader observeras med hjälp utav de inmonterade trycksensorerna. Det finns en viss risk för volymökning då en mindre grad av elasticitet finns hos tätningen vilket kan resultera i ett felvisande resultat. Med tanke på det relativt låga trycket i förhållande till övriga komponenters hållfasthet ansågs inte detta relevant att redovisa i sammanhanget.

För att på ett systematiskt sätt kunna testa aktuatorerna vid en eliminering av membranet togs en testplan fram. Testplanen är baserad på företagets tidigare livstester där de tidigare uträkningar som gjordes under frågeställning 1 men även inkluderas.

Analys

5.3 Frågeställning 3

”Hur tät är nuvarande aktuator vid en eliminering av ePTFE membran”

Genom att analysera resultaten av de genomförda testerna kan det konstateras att produkten inte är lufttät. Detta leder till ett mer komplext scenario där hänsyn mot specifika värden behöver behandlas. I med att luft kan cirkulera in och ut under okontrollerade former innebär det att en större mängd vattenånga än den beräknade kan tränga in i produkten vilket senare kan resultera i en större skada. Utefter tryckfallstest kunde det göras en bedömning att det tar mellan 4.5h och 61h för produkten att neutralisera sig efter att den varit utsatt för ett normalt övertryck. Spridning av resultatet kan av olika anledningar vara inkorrekta då undersökning är stort påverkad av den mänskliga faktorn. Dels vid montering av testmodulerna dels vid avläsning av tryckfall, då tid och tryck avlästes manuellt.Testet kan även vara missvisande då luft forcerats in och ingen hänsyn till eventuellt bortfall av substansmängd som vid ett naturligt förlopp under uppvärmning.

Utefter det kollapstest som gjordes visades goda resultat i form utav att vitala delar förblev intakta även utanför den teoretiska maximala gränsen. Det gav även en indikation på den plats som det troligtvis var läckage på under tryckfallstestet.