18
Alex de Souza Rodrigues Development Engineering ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo - Brazil E-mail: [email protected] Phone: +55 11 4039-9135 Mobile: +55 11 6772-7762

Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

���������������

��� ���������� �

�������������

Alex de Souza Rodrigues

Development Engineering

ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo - BrazilE-mail: [email protected]: +55 11 4039-9135 Mobile: +55 11 6772-7762

Page 2: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

������������������������

�� ���� ���������������

�� ��� �����������������

�� ���� �����

�� � ���������� ���

!� "��#�$���� ���������� ���

%� ���������

&� "����

Page 3: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

������� ���������������������� ���������������������� ���������������������� ���������������

Page 4: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

Pin Journal

Main Journal

Crank Nose

Flange

Counter-weightsWeb

Pin Fillet

Main Fillet

Oil Hole

������ ����������������������� ����������������������� ����������������������� �����������������

Page 5: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

� ���� ������������� � '������������������

� !� ���� ����

"

������� ������������ ������������ ������������ �����

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

(����������

Page 6: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

#�����$����%����������&������

���������'� ���(#')��������

��������������(*')���������'� ���(#$)������� ��������������(*$)

������� ������������ ������������ ������������ ����� ������#������ �����

&�)�*+�

�,&��

%��� �# +������

�������������

Page 7: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

� ���� ������������ � '�����������������

�"�

������� ������������ ������������ ������������ �����

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

��������� #������,����-�������

%���-��������#���������������������������������.����

������������ ����� ���

Page 8: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

������� ������������ ������������ ������������ �����

#�����$����%�����������������

���������'� ���(#')��������

��������������(*')�/������������

���������'� ���(#$)������� ��������������(*$)

����-*+�.

�%��

Page 9: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

���� ������( �������� ������( �������� ������( �������� ������( ����

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

Page 10: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

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

���� ������/�������� ������/�������� ������/�������� ������/����

������������������ !��"#$%�&�������"�#'$

Page 11: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

���� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ������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)

Page 12: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

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

� ������$� ����

Page 13: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����!��"��#�$������� ����0000 ���� ����(�$���� ����(�$���� ����(�$���� ����(�$0000������������������������������������

(�����������������

2���������������8"� ��9

���� �����#�����������

��������:;���������������<

(�����������������������

���� ���������

� ������34���������

(�$��������*����

�����������

Elements: 280.000

Nodes: 75.000

Type: Patran Tet4

=��">�=*""�8?��>�

=8?��>�

=@�8��8?��>�

=8?��>�=�8"�

Page 14: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.!��"3��� ������2�������A��%,,�-��.

Von Mises Stress

Max Principal Stress

�����

�����������

��

�����

�����������

��

Page 15: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

!��*(�"�������!��*(�"�������!��*(�"�������!��*(�"�������0000 "��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�"��������(���� �������� ����1�B�$�

(� ��������

�������������%��)

(� ��������

��)�*���)�* �

Page 16: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

%�����������%�����������%�����������%�����������

���� ��������

�������3��������������

����������� �����

"����������

������������ �����

"����������

"����������

Page 17: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

%�����������%�����������%�����������%�����������

� ���������� ���9

����������$����� ���������������$��� �����C

�34�����������������������������������������C

������������� ��������������� ��$� �������������������������C

�6�����������������������D�����C

Page 18: Presentation ExpoEngine...ˇ ˇ ˇ ˆ Torsional vibration! " # ˆ$ ˆ ! " # ˆ$ ˆ 0 000 * * * * ˆ * ˙ 1 2ˆˆ ˇ ˇ ˆ ˆˇ 34˝ˆ Engine (˝$ ˆ ˝ * Piston1 Conrod1 P-Pin1 PistonPinR1

��

����������� ��������

���������

�����

���� ������������������������������������ �������������������������������� ����� ����

&��"����&��"����&��"����&��"����

Thank you!

Obrigado!

Danke schön!