Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
���������������
��� ���������� �
�������������
Alex de Souza Rodrigues
Development Engineering
ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo - BrazilE-mail: [email protected]: +55 11 4039-9135 Mobile: +55 11 6772-7762
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
������������������������
�� ���� ���������������
�� ��� �����������������
�� ���� �����
�� � ���������� ���
!� "��#�$���� ���������� ���
%� ���������
&� "����
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
������� ���������������������� ���������������������� ���������������������� ���������������
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
Pin Journal
Main Journal
Crank Nose
Flange
Counter-weightsWeb
Pin Fillet
Main Fillet
Oil Hole
������ ����������������������� ����������������������� ����������������������� �����������������
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
� ���� ������������� � '������������������
� !� ���� ����
"
������� ������������ ������������ ������������ �����
Material Properties identification based on experimental tests with crankshafts under bending load
• Stair Case Method is applied for endurance limit evaluation
• 10 million cycles
• The stresses are measured directly in the bearings fillets by strain gauges (positions 1, 2, 3 and 4)
• Endurance limit is calculated for bearings fillets based on measured data and statistical treatment
Material Properties
• SR: ultimate tensile strength
• SE: yield tensile strength
• E: Young’s modulus
• Poisson
• NC and NL: number of load cycles
• SC and SL: endurance limits
SN Methodology
• PUC Criteria
(����������
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
#�����$����%����������&������
���������'� ���(#')��������
��������������(*')���������'� ���(#$)������� ��������������(*$)
������� ������������ ������������ ������������ ����� ������#������ �����
&�)�*+�
�,&��
%��� �# +������
�������������
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
� ���� ������������ � '�����������������
�
�"�
������� ������������ ������������ ������������ �����
Material Properties identification based on experimental tests with crankshafts under torsion load
• Stair Case Method is applied for endurance limit evaluation
• 10 million cycles
• The stresses are measured in the bearings center by torque strain gauges
•Endurance limits are calculated for bearings fillets, webs and oil hole regions based on measured data and FEA results extrapolation
• The number of specimen tested in torsional stair cases is not enough to allow statistical treatment. Thus, the endurance limit is obtained from critical specimen result
Material Properties
• SR: ultimate tensile strength
• SE: yield tensile strength
• E: Young’s modulus
• Poisson
• NC and NL: number of load cycles
• SC and SL: endurance limits
SN Methodology
• PUC Criteria
��������� #������,����-�������
%���-��������#���������������������������������.����
������������ ����� ���
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
������� ������������ ������������ ������������ �����
#�����$����%�����������������
���������'� ���(#')��������
��������������(*')�/������������
���������'� ���(#$)������� ��������������(*$)
����-*+�.
�%��
��
����������� ��������
���������
����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
���� ������( �������� ������( �������� ������( �������� ������( ����
Engine
Piston1
Conrod1
P-Pin1
PistonPinR1
21
SmallEnd1
21
BigEnd1
21
Piston2
Conrod2
P-Pin2
PistonPinR2
2
1
SmallEnd2
21
BigEnd2
21
Piston3
Conrod3
P-Pin3
PistonPinR3
21
SmallEnd3
21
BigEnd3
21
Piston4
Piston6
Piston5
Conrod5
Conrod4
Conrod6
P-Pin5
P-Pin4
P-Pin6
PistonPinR4
21
PistonPinR6
2
1PistonPinR5
21
SmallEnd6
21SmallEnd5
21
SmallEnd4
21
BigEnd4
21
BigEnd5
21
BigEnd6
21
MainBearing1
21
MainBearing6
21
MainBearing2
21 MainBearing7
21
MainBearing3
21
MainBearing4
21 MainBearing5
21
Crankshaft
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
GEN_Crankshaft_Pin_1
-200000
-150000
-100000
-50000
0
50000
100000
150000
200000
Fo
rce
[N
](-)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
Time/Crankangle [s](-)
Force_1-0
Force_2-0
Force_3-0
Curve
Min Y
0
-21113.4
-176054
6461.54
at X
0
0.025
0.0236538
0.0419872
Max Y
0
11204
19974.4
176352
at X
0
0.0217949
0.000448718
0.0236538
Mean Y (arith.)
0
-1133.56
-22442.6
29382.5
Mean Y (geom.)
n.d.
n.d.
n.d.
21056.2
Mean Y (int.dX)
0
-1135.13
-22501
29396.1
Engine Loads - Moments @ 2600 rpm (2012 Pressures)
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Mo
me
nt(
N.m
)
0 90 180 270 360 450 540 630 720
Crank Angle(deg)
Bending Moment[Nm]
Torque Left[Nm]
Min Y
-394.334
-6991.46
at X
637
44
Max Y
2577.04
2188.84
at X
487
476
Mean Y (arith.)
-24.6401
-956.717
Mean Y (geom.)
n.d.
n.d.
Mean Y (int.dX)
-24.3419
-959.043
���� ������/�������� ������/�������� ������/�������� ������/����
������������������ !��"#$%�&�������"�#'$
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
���� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ������0000 (���� �"����(���� �"����(���� �"����(���� �"����
2
4
6
8
10
12
We
bID
(-)
1600 1800 2000 2200 2400 2600
Engine Speed(rpm)
1.45
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85Comparison Factor
Main Journal Fillet
1.45
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
Co
mp
ari
so
n F
acto
r(-)
1600 1800 2000 2200 2400 2600
engine speed(rpm)
Web1
Web2
Web3
Web4
Web5
Web6
Web7
Web8
Web9
Web10
Web11
Web12
Crank Pin Fillet2.9
@ 2600 rpm
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
Str
ess A
mp
litu
de
(N/m
m^2
)
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
Mean Stress(N/mm 2̂)
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
Torsional vibration
!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����0000 ���� ����*�� ���� ����*�� ���� ����*�� ���� ����*��
���*���� *��������� ��� *�����������1�
2����������������
� ������34���������
(�$��������*����Engine
Pis ton1
Conrod1
P-P in1
Pis tonPinR1
21
Sm allEnd1
21
BigEnd1
21
Pis ton2
Conrod2
P-P in2
Pis tonP inR2
21
Sm allEnd2
21
BigEnd2
21
Pis ton3
Conrod3
P-Pin3
Pis tonPinR3
21
Sm allEnd3
21
BigEnd3
21
Pis ton4
Pis ton6
Pis ton5
Conrod5
Conrod4
Conrod6
P-Pin5
P-P in4
P-P in6
Pis tonPinR4
21
Pis tonPinR6
21Pis tonP inR5
21
Sm allEnd6
21Sm allEnd5
21
Sm allEnd4
21
BigEnd4
21
BigEnd5
21
BigEnd6
21
MainBearing1
21
MainBearing6
21
MainBearing2
21 MainBearing7
21
MainBearing3
21
MainBearing4
21 MainBearing5
21
Crankshaft
� ���������� ����
5�����������������2�����������
��$����������
6������2�������7
� ������$� ����
Max Principal
Stress
(�����2����� ��7
� ������$� ���� (���� �"������7
� ������$� ����
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����0000 ���� ����(�$���� ����(�$���� ����(�$���� ����(�$0000������������������������������������
(�����������������
2���������������8"� ��9
���� �����#�����������
��������:;���������������<
(�����������������������
���� ���������
� ������34���������
(�$��������*����
�����������
Elements: 280.000
Nodes: 75.000
Type: Patran Tet4
=��">�=*""�8?��>�
=8?��>�
=@�8��8?��>�
=8?��>�=�8"�
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.
Von Mises Stress
Max Principal Stress
�����
�����������
��
�����
�����������
��
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
!��*(�"�������!��*(�"�������!��*(�"�������!��*(�"�������0000 "��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�
(� ��������
�������������%��)
�
(� ��������
��)�*���)�* �
�
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
%�����������%�����������%�����������%�����������
���� ��������
�������3��������������
����������� �����
"����������
������������ �����
"����������
"����������
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
%�����������%�����������%�����������%�����������
� ���������� ���9
����������$����� ���������������$��� �����C
�34�����������������������������������������C
������������� ��������������� ��$� �������������������������C
�6�����������������������D�����C
��
����������� ��������
���������
�����
���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����
&��"����&��"����&��"����&��"����
Thank you!
Obrigado!
Danke schön!