Embed Size (px)
Citation preview
ดร.สมบรณ โอตรวรรณะ
หองปฎบตการคอมพวเตอรชวยในการออกแบบ
หนวยวจยเทคโนโลยคอมพวเตอรชวย
ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต
ทความบบ
ลออลลอย (alloy wheel) คอ ลอทผลต
มาจากอะลมเนยมผสม (aluminium alloy) หรอ
แมกนเซยมผสม(magnesiumalloy)สำหรบใชกบ
รถยนตประเภทตางๆ โลหะผสมทงสองประเภทน
มสมบตเดน คอ เบากวาเหลกกลา (steel) มาก
โ ด ย อ ะ ล ม เ น ย ม แ ล ะ แ ม ก น เ ซ ย ม บ ร ส ท ธ
ลออลลอย
ภาพท 1 รปลกษณของลออลลอยและลอเหลกกลา
ลอเหลกกลา
มความหนาแนนประมาณ1/3และ1/4ของเหลกกลา
ตามลำดบ การใชลออลลอยแทนลอเหลกกลา
จะชวยลดนำหนกรวมของยานพาหนะซงสงผลด
ตออตราการสนเปลองเชอเพลงและความเรงของรถ
นอกจากนลออลลอยยงขนรปเปนรปทรงไดหลากหลาย
และสวยงามกวาลอเหลกกลาอกดวย(ภาพท1)
การทดสอบทางกลตามมาตรฐานสำหรบ
ลออลลอย
และบทบาทของการจำลองดวยไฟไนตเอลเมนต
(Standard Mechanical Tests for Alloy Wheels and
the Role of Finite Element Simulation)
ตลาคม - ธนวาคม 2556
11
หลายประการ เชน ความตานทานการกดกรอน
ความแขงแรงทางกล ความสวยงามของผว และ
ความปลอดภยในดานการตดไฟและลกไหม
ป จจ บ นล ออ ลลอยส วนใหญผลตจาก
อะลมเนยมผสมโดยกระบวนการหลอดวยแรงดน
ตำ(lowpressurediecasting)หรอกระบวนการหลอ
ดวยแรงโนมถวง (gravity die casting) จากนน
นำลอทผานการหลอไปอบชบดวยกระบวนการทาง
ความรอน(heattreatment)กอนจะนำไปกดกลง
และเจาะร (machining) ใหไดรปรางสดทายตามท
ออกแบบไว และนำลอเขาสกระบวนการทำสและ
เคลอบผวตอไป(ภาพท2)
ภาพท 2 แผนภมแสดงกระบวนการผลตลออลลอย
ภาพจาก http://www.intelorg.com.sg/Alloy%20Wheel%20Projects.htm
การผลตลออลลอยในยคแรกๆ สวนใหญ
ทำจากแมกนเซยมผสมเนองดวยขอจำกดดาน
ความเหนยว (ductility) ของอะลมเนยมผสม
ทผานการหลอดงนนจงมการเรยกลออลลอยอยาง
ไมเปนทางการวา “ลอแมก (mag wheel)” ตอมา
เมอเทคโนโลยการหลออะลมเนยมผสมไดรบการ
พฒนาจนสามารถทำโครงสรางจลภาคทมเกรนขนาด
เลกลงได [1]ทำใหความนยมในการผลตลออลลอย
จากอะลมเนยมผสมเพมมากขน
ลออลลอยสำหรบรถยนตปกตทวไปใน
ทองตลาดทำจากอะลมเนยมผสมสวนลอแมกนเซยม
ผสมนนไดรบความนยมลดลงไปเนองจากขอดอย
การทดสอบทางกลตามมาตรฐาน
ในบางประเทศเชนญปนไดมกฎหมายกำหนด
วาลออลลอยจะตองผานการทดสอบตามมาตรฐาน
[2]โดยมาตรฐานการทดสอบทไดรบการยอมรบในวง
กวาง เชน JWL (Japan Light Alloy Wheel)
standard[3]และSAE(SocietyofAutomotive
Engineers)J2530[4]มาตรฐานJWLนนเปนทยอมรบ
ในวงการวาเหมาะกบทกสภาพถนนดงนนลออลลอย
ทจำหนายในทวปเอเชยและยโรปจงมเครองหมาย
ของมาตรฐาน JWL ใหเหนอย โดยทวไป [3]
(ภาพท3)
DELIVERYTOCUSTOMER 13,30,90IMPACTTEST CORNERINGTEST DRUMTEST
AlINGOTA356.2 MELTING AlTREATMENT SPECTROANALYZER CASTING X-RAY
MACHINING2ndOP MACHINING SHOTBLASTING HEATTREATMENT RISERCUTTING
LEAKTEST1st PCD&VALVEDRILLING WHEELBALANCING CNCCMM FINISHING
PACKING FINALCHECK PAINTING DEGREASING LEAKTEST2nd
ตลาคม - ธนวาคม 255612
การทดสอบทางกลของลออลลอยตาม
มาตรฐานทวไปประกอบดวย
1.การทดสอบความลาตามมมในเชงพลวต
(Dynamic Cornering Fatigue Test) เปนการ
จำลองภาระทางกลทลอจะไดรบเมอรถเลยวหกมม
ซงเครองทดสอบสามารถเลอกใชไดทงแบบทลอ
อยนงและแบบทลอหมน (ภาพท 4) เครองทดสอบ
แบบทลออยนงจะจบยดลอทดสอบไวและรบภาระ
โมเมนตดด (bending moment) ทเปลยนแปลง
ตามเวลาจากเพลาขบทกำลงหมนโดยมกอนนำหนกท
ไมสมดลตดอย สวนเครองทดสอบแบบทลอหมนจะ
หมนลอทดสอบโดยทมโมเมนตดดทคงทกระทำตอ
ลอดงภาพการทดสอบจรง(ภาพท5)
มาตรฐาน JWL กำหนดวา ลอทดสอบ
จะตองผานการรบภาระนอยางนอย 100,000 รอบ
โดยไมเกดรอยแตก (crack) สวนคาภาระโมเมนต
ดดทใชทดสอบ (M) ในหนวย N-m คำนวณได
จากสมการ
M = 1.5.Fn . g (m . Rdyn + d)
โดยFnคอภาระสงสด(maximumload)ทลอรบได
มหนวยเปนkg
g คอ คาความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก
ซงมคาประมาณ9.81m/s2
m คอคาสมประสทธแรงเสยดทานระหวางยางกบ พนถนนซงตามมาตรฐานJWLถอวามคา0.7
Rdyn คอ รศมของการหมนสงสดของยางทกระทำ
ตอลอมหนวยเปนm
dคอเสนผานศนยกลางของยางมหนวยเปนm
ภาพท 3 สญลกษณเครองหมายของมาตรฐาน JWL
บนลออลลอย
ภาพท 4 ภาพวาดแสดงเครองทดสอบความลาตามมมในเชงพลวตแบบทลออยนง (ซาย) และแบบทลอหมน (ขวา)
ภาพจาก http://www.euwa.org/images/auto/euwa_std_318.pdf
ตลาคม - ธนวาคม 2556
13
2.การทดสอบความลาตามแนวรศมในเชง
พลวต(DynamicRadialFatigueTest)เปนการ
จำลองภาระในแนวรศมทลอจะไดรบเมอรถวงไป
บนทางตรงปกต โดยเครองทดสอบ (ภาพท 6)
ซงมลอขบ (driven drum) จะกดยางทประกอบกบ
ลอทดสอบดวยแรงทแสดงถงนำหนกของตวรถท
ถายเทลงไปทลอ จากนนลอขบจะหมนเพอขบใหลอ
ทดสอบหมนไปดวยดงภาพการทดสอบจรงในภาพท7
สำหรบมาตรฐานJWLกำหนดวาลอทดสอบจะตอง
ผานการรบภาระนอยางนอย500,000รอบโดยไมเกด
รอยแตกหรอสญเสยแรงดนลมยาง (tireairpres-
sure)สำหรบภาระแรงกดทใชทดสอบ(Fr )ในหนวยNคำนวณไดจากสมการ
Fr = k.Fn . g
โดย Fn คอภาระสงสดทลอรบไดมหนวยเปนkg g คอ คาความเรงเนองจากแรงโนมถวงของ โลกซงมคาประมาณ9.81m/s
2
kคอคาตวคณโหลด (load factor) เพอให การทดสอบไมกนเวลามากเกนไป ซงตามมาตรฐาน
JWLใชคา2.25
ภาพท 5 การทดสอบจรงบนเครองทดสอบ
ความลาตามมมในเชงพลวต
ภาพจาก http://www.koseieurope.com/eng/etest-
kosei.htm
ภาพท 6 ภาพวาดแสดงเครองทดสอบความลา
ตามแนวรศมในเชงพลวต
ภาพจาก “Light Alloy Disc Wheels for Automobiles”,
CNS 7135, Chinese National Standards, Bureau of
Standards, Metrology and Inspection, Ministry of
Economic Affairs, R.O.C. 1995
ภาพท 7 การทดสอบจรงบนเครองทดสอบความลา
ตามแนวรศมในเชงพลวต
ภาพจาก http://www.koseieurope.com/eng/etest-
kosei.htm
3. การทดสอบการกระแทก (Impact
Test) เปนการจำลองภาระจากการกระแทกของลอ
เมอตกหลมหรอชนกบขอบถนน ในการทดสอบลอ
อลลอยทใสยางแลวจะถกจบยดไวและเอยงทำมม
13องศากบแนวระดบตามมาตรฐาน JWL จากนน
กอนนำหนก(strikermass)จะถกปลอยจากความสง
ทกำหนดลงมากระแทกตามตำแหนงทแสดงไว
ดงภาพท 8 และการทดสอบจรงบนเครองทดสอบ
การกระแทกดงภาพท9ตามมาตรฐานJWLลออลลอย
จะผานการทดสอบกตอเมอไมเกดรอยแตกหรอสญเสย
Tyre
Wheel
Radialload
Wheelnutor
clampingbolt
Drivendrum
ตลาคม - ธนวาคม 255614
แรงดนลมยางสำหรบขนาดของกอนนำหนกทใช ในการทดสอบ(D)ในหนวยkgคำนวณไดจากสมการ
D = 0.6 Fn +180
โดยFnคอภาระสงสดทลอรบไดมหนวยเปนkg
ภาพท 8 ภาพวาดเครองทดสอบการกระแทก
ภาพจาก “Light Alloy Disc Wheels for Automobiles”, CNS 7135, Chinese National Standards, Bureau of
Standards, Metrology and Inspection, Ministry of Economic Affairs, R.O.C. 1995
ภาพท 9 การทดสอบจรงบนเครองทดสอบการกระแทก
ภาพจาก http://www.leggera.eu/en/information/info-
43.html
บทบาทของการจำลองดวย
ไฟไนตเอลเมนต
จากรายละเอยดกระบวนการทดสอบทงสาม
ตามมาตรฐานจะเหนวา การทดสอบจรงสนเปลอง
เวลาและคาใชจายคอนขางมากทงในสวนของการ
ทดลองผลตลอทดสอบและตวการทดสอบเองท
เปนการทดสอบแบบทำลาย(destructivetest)ทำให
มความจำเปนทตองนำเทคโนโลยการจำลองดวยระเบยบ
วธไฟไนตเอลเมนต(FiniteElementMethod:FEM)
[5]ซงเปนเทคโนโลยทางดานคอมพวเตอรชวยในการ
คำนวณทางวศวกรรม(ComputerAidedTechnology:
CAE)ทสำคญตวหนงมาชวยในการออกแบบ
ตลาคม - ธนวาคม 2556
15
ภาพท 10 สมการเชงอนพนธยอยความสมดล
ของของแขงในสามมต [5]
ภาพท 11 ตวอยางผลลพธของการกระจายตวของคาความเคนในลออลลอย
ภาพจาก L. Wang, Y. Chen, C. Wang and Q. Wang, “Fatigue life analysis of aluminum wheels by simulation
of rotary fatigue test”, Journal of Mechanical Engineering, Vol. 57 (1), 2011, pp. 31-39.
ระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตเปนระเบยบวธ
เชงตวเลข (numerical method) ทชวยประมาณ
ผลลพธของสมการทางคณตศาสตรทซบซอนทโดย
ปกตจะไมสามารถหาผลเฉลยแมนตรง (exact
solution) ได ปรากฏการณตางๆ ทเกดขนในงาน
วศวกรรมรวมถงการทดสอบทางกลของลออลลอย
ตามมาตรฐานทงสามนสามารถเขยนอธบายได
โดยสมการเชงอนพนธยอย (partial differential
equation)ตางๆเชนสมการเชงอนพนธยอยความ
สมดลของของแขงในสามมต(ภาพท10)และการนำ
ระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตมาชวยคำนวณคอการแก
สมการเชงอนพนธยอยตางๆเหลานนนนเอง
การนำเทคโนโลยไฟไนตเอลเมนตมาชวย
คำนวณผลลพธของปรากฏการณจะชวยคาดคะเนผล
ของการทดสอบลออลลอยไดวามโอกาสจะผานหรอ
ไมผานมากเพยงไร ซงจะชวยในการตดสนใจวาควร
จะนำลอทไดออกแบบไวไปทดสอบจรงหรอควรจะ
ออกแบบใหม (re-design) เพอเพมความแขงแรง
ในกรณทคดวารปรางเดมยงแขงแรงไมพอ (under-
designed) หรอลดขนาดลงเพอการประหยดเนอ
วสดในกรณทคดวาออกแบบเผอไวมากเกนไป(over-
designed)ยกตวอยางเชนหากเราวเคราะหไฟไนต
ตลาคม - ธนวาคม 2556
15
ตลาคม - ธนวาคม 255616
เอกสารอางอง
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Alloy_wheel
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/JWL_standard
[3] http://www.cartype.com/pages/2101/jwl_stamp_on_alloy_wheels
[4] http://www.sae.org/works/documentHome.do?docID=J3010&inputPage=wIpSdOcDeTaIlS&
comtID=TEVWC
[5] ไฟไนตเอลเมนตในงานวศวกรรม, ปราโมทย เดชะอำไพ, สำนกพมพจฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2542
ภาพท 12 ตวอยางแบบจำลองไฟไนตเอลเมนตของการทดสอบความลาตามมมในเชงพลวต
ภาพจาก Y.-L. Hsu, C.-C. Yu, S.-C. Wu and M. H. Hsu, “Developing an automated design modification
system for aluminum disk wheels”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal
of Engineering Manufacture, Vol. 221 (3), 2007, pp. 447-456.
เอลเมนตของการทดสอบทางกลแลวไดผลลพธของ
การกระจายตวของคาความเคนในลออลลอยดงภาพ
ท 11 เรากสามารถพจารณาไดวาควรจะปรบปรง
รปรางของลอนหรอไม
การนำเทคโนโลยไฟไนตเอลเมนตมาใช ใน
การออกแบบและผลตลออลลอย (ภาพท 12) เปน
สงทบรษทผออกแบบและผลตชนนำในปจจบนควร
ตองม อยางไรกตามความซบซอนของปรากฏการณ
ทเกดขนในการทดสอบทางกลตามมาตรฐานทงสาม
เปนปจจยหลกททำใหการวเคราะหดวยไฟไนตเอลเมนต
มความคลาดเคลอน ซงจดนเองอาจทำใหบรษทผ
ออกแบบและผลตลออลลอยหลายบรษทไมเชอมน
ตอผลการจำลองทไดและอาจยกเลกการใชการจำลอง
ไปในทสด ดงนนการจำลองไฟไนตเอล เมนต
ของลออลลอยนจงตองเลอกใชวธจำลองใหเหมาะสม
กบปญหา เชน การเลอกชนดการวเคราะหปญหา
การกำหนดเงอนไขขอบเขต(boundaryconditions)
การแบงเอลเมนต(meshing)การใสคาสมบตของวสด
(material properties) และการกำหนดเงอนไข
ของความเสยหาย(failurecriteria)โดยการจะเลอกใช
ขอมลการจำลองตางๆ เหลาน ไดอยางเหมาะสม
ตองอาศยความรและประสบการณในทงทางระเบยบ
วธไฟไนตเอลเมนต วศวกรรมเครองกล รวมถง
วศวกรรมวสดดวย
ตลาคม - ธนวาคม 255616
