Examensarbeten vid avd. för maskinelement våren-hösten 2006

Examensarbeten vid avd. för maskinelement våren-hösten 2006 Nedan följer en lista på exjobb som är aktuella för perioden januari 2006-mars 2007. Inom parentes finns samarbetspartners från industri eller universitet. Varje projekt finns beskrivet i mer detalj längre ner i dokumentet. Test rig for the study of dynamic friction behaviour Radial Lip Seal Tribology: Leakage Through Rough Contacts. Modellering och simulering av Compactmotorns kolvparti (Hägglunds Drives AB) Datormodellerad känslighetsanalys för genomläckageflöden i rotatorspalter (Indexator AB) Design av Testrigg för prestandautveckling av rotatorer (Indexator AB) Optimerad digital filtrering vid 3D-Topometermätning, korrelerad med konventionell 2D (Indexator AB) Influence of lubricants containing EP and AW additives on tribological behaviour of NoWear coated surfaces (SKF) Tillämpad homogenisering, modellering och simulering av hydrodynamiskt smorda glidlager (Matematik) 1

Test rig for the study of dynamic friction behaviour Introduction At the Division of Machine Elements in Luleå University of Technology a lot of tribology research project are carried out. Tribology is the science of wear, friction and lubrication. Friction is traditionally measured in a variety of different test rigs in which different types of sliding motions are investigated. However, the true nature of friction as a dynamic phenomenon is still to be explained. As a first step in this new way to describe friction a test rig will be built, in which surface interaction between two magnified rough surfaces is possible to observe. A schematic sketch of one possible way to design the test rig is shown in figure 1. Here a cylinder with large surface roughness is rotation in another rough cylinder. During rotating motion, the interaction between the surface tips will be able to monitor with a high speed camera. This surface behaviour for different sliding speeds and friction coefficient will be Figure 1: Schematic sketch of test rig monitored to get a better understanding for how the friction forces between the two surfaces is formed. In the test rig, the friction forces will be measured for different working conditions. As an example, the friction force in the design in Figure 1, could be measured as torque on the outer cylinder, while the inner cylinder is rotating. Task The aim of this work is to design and build a test rig to monitor surface interaction during a sliding motion. The test rig will than be used to perform an investigation of how friction can be described as a function of velocity. Result from this work will be used as verification of friction models developed in Luleå University of Technology. The friction models are developed in cooperation with Statoil lubricants R&D and Haldex traction, and results from this investigation will be of great interest for these two companies. Work description The work will be divided into the following steps: 1. Design and build the dynamic friction test rig. 2. Run a series of tests. 4. Make conclusions from the results of the test series. Explain the basics of dynamic friction behaviour for two rough surfaces in contact during a sliding motion. Additional information Start date: June 2006 Thesis worker: To be appointed. Supervisors: Mr. Pär Marklund, Luleå University of Technology. Prof. Roland Larsson, Luleå University of Technology. Examiner: Prof. Roland Larsson, Luleå University of Technology. 2

Radial Lip Seal Tribology: Leakage Through Rough Contacts. More and more bearings are lubricated and sealed for life. Well-known examples are bearings in electrical motors (mixers, vacuum cleaners) and automotive applications such as wheel bearings. The seal plays a crucial role here since the grease has to stay in the bearing and contamination, such as water and particles, has to be kept away from the bearing. The seal, as depicted above, consists of a so-called rubber lip, which is pressed against a rotating shaft by a spring. Initially, the lip is sharp. However, due to running-in, the tip gets blunt and the contact pressure decreases. Therefore, only the surface asperities (roughness) of the seal and the bearing ring will touch. Contacting asperities have a resistance to flow and therefore leakage. Now, by elastic flattening of asperities, connecting asperities are formed. A large number of connecting asperities may now block the leakage completely. As can be seen in the picture below. Today no good model exists on the leakage of lubricant through the non-contacting area, i.e. through channels between the asperities. This concept is called the Percolation Theory and is the topic of this project. At LTU, Andreas Almqvist developed a computer simulation program, which makes it possible to predict the real area of contact using measured rough surfaces as input. This program is the basis for a newly to be developed code where inerasperity paths through which leakage takes place can be detected and where subsequently the fluid flow can be predicted. A parameter study should lead to a relation between the surface topography characteristics, load and flow for a set of materials. This project is part of a larger multi-disciplinary SKF/LTU project. The work in this MSc. project is purely analytical. Therefore, the candidate should preferably have a good background in mathematics and physics. This task will be conducted in close co-operation with SKF. It is possible to do this project partly at SKF Engineering and Research Centre in The Netherlands. For information contact Elisabet Kassfeldt from LTU (elisabet.kassfeldt@ltu.se),+46 705291240 or Piet M. Lugt from SKF/LTU (piet.lugt@skf.com),+31 6 51 222 474 3

Modellering och simulering av Compactmotorns kolvparti (Hägglunds Drives AB) Hägglunds Drives levererar hydrauliska drivsystem till industrin för allmän drivning av axlar där lågt varvtal och högt moment är ett krav. Den nya generationen hydraulmotorer från Hägglunds, Compact, ger större effekttäthet och bättre kostnadseffektivitet än tidigare motorer. Vissa egenskaper som verkningsgrad vid låga varvtal, läckage samt skärningsmotstånd skall dock förbättras. En provrigg för kolvpartier är under utveckling för att bättre kunna mäta dessa egenskaper men en teoretisk modell för egenskaperna är viktig. Examensarbetet innebär att göra en teoretisk modell på kolvpartiet med mål att kunna simulera friktion och läckage i kolvpartiet vid olika varvtal och tryck. Beräkningarna kommer att göras i nära samarbete med Maskinelement på Luleå tekniska universitet inom ramen för det nationella forskningsprojektet Interface. Arbetet kommer att lokaliseras till Maskinelement på Luleå tekniska universitet men ett antal besök i Mellansel ingår också. Avsett för: 1-2 teknologer från M eller F Utförs vid: Luleå tekniska universitet i samarbete med Hägglunds Drives AB Kontaktpersoner: Roland Larsson, LTU, tfn 0920-491325, rola@ltu.se och Daniel Nilsson, Hägglunds Drives AB, tfn 0660-872 17, daniel.nilsson@se.hagglunds.com 4

Datormodellerad känslighetsanalys för genomläckageflöden i rotatorspalter (Indexator AB) Det är idag okänt hur de olika spalterna i rotatorer av vingmotortyp bidrar till det inre genomläckaget. De olika spalternas variabler behöver därför beskrivas utifrån inledningsvis antagna förenklingar, främst att spalterna har konstant spaltvidd utan formavvikelser, att spaltvidden inte beror av trycknivån, samt att genomläckaget i varje spalt är oberoende av övriga spalter. I ett senare skede kommer avsteg från dessa förenklingar att göras när mätningar av spaltviddernas verkliga dimensioner vid olika driftfall blir möjligt i den framtida Testriggen för prestandautveckling av rotatorer (se examensarbete B nedan). En datormodell skapas som med spaltvidderna som indata beräknar genomläckageflödena. Känslighetsanalysen verifieras genom att förutsäga det totala genomläckaget för några noggrant uppmätta rotatorexemplar samt jämföra med uppmätt totalläckage. Det är viktigt att Indexator sedan kan använda analysverktyget på ett enkelt och överskådligt sätt. Avsett för: 1 teknolog från M eller F Utförs vid: Luleå tekniska universitet i samarbete med Indexator AB, Vindeln. Delar av arbetet kan utföras vid Indexator. Kontaktpersoner: Richard Larker, richard.larker@indexator.se, Forskning & Utveckling (materialval, tribologi & provning), Indexator AB, Box 11, 922 21 Vindeln, 0933-148 46 (direkt DECT), 0933-148 00 (växel), 0933-148 99 (fax), 073-020 96 90 (mobil), hemsida: www.indexator.se och Roland Larsson, LTU, tfn 0920-491325, rola@ltu.se 5

Design av Testrigg för prestandautveckling av rotatorer (Indexator AB) För ingående utvärdering av rotatorers prestanda behövs en utrustning där rotatorns aktiva vridmoment och genomläckage kan uppmätas som funktion av vridvinkelläge (vingarnas position relativt statorringens skiljeväggar), vinkelhastighet, trycknivå, temperatur och viskositet. Motsvarande parametrar ska också kunna uppmätas vid tvångsvridning då rotatorn agerar broms. Testriggen föreslås baseras på en högmomentmotor CA 50-25 (radialkolvmotor med extra kortslagig kamring och vridmomentet 25 Nm/bar), som dels fungerar som broms (för aktivt rotatorvridmoment) och dels som motor (för passivt vridmoment från bromsande rotator). Vår största rotator IR 20 som ger 3,3 knm vid 250 bar skulle då aktivt generera 132 bar i en CA 50-25 driven som pump, vilket är tillräckligt högt för att genom tryckmätning ge en bra mätnoggrannhet av det dynamiska vridmomentet, men tillräckligt lågt för att ge en mycket lång rigglivslängd. Avsett för: Examensarbetet är avsett för 2 teknologer (20p), där den ena ansvarar för riggens mekaniska design i I-DEAS, och den andra ansvarar för riggens regler- och mätsystem i LabView. Utförs vid: Luleå tekniska universitet och Indexator AB, Vindeln. Delar av arbetet kan utföras vid Indexator. Kontaktpersoner: Richard Larker, richard.larker@indexator.se, Forskning & Utveckling (materialval, tribologi & provning), Indexator AB, Box 11, 922 21 Vindeln, 0933-148 46 (direkt DECT), 0933-148 00 (växel), 0933-148 99 (fax), 073-020 96 90 (mobil), hemsida: www.indexator.se och Elisabet Kassfeldt, LTU, tfn 0920-491240, elka@ltu.se 6

Optimerad digital filtrering vid 3D-Topometermätning, korrelerad med konventionell 2D (Indexator AB) Indexators produkter innehåller glidytor som ständigt arbetar under gränsskiktssmörjning (λ<1 i Stribeck-kurvan). Därför är glidytornas topografi av särskild betydelse för prestanda och livslängd. Det i industrin traditionellt använda R a -värdet saknar relevans för den tekniska funktionen, och det är därför en ambition att ersätta R a - värdet med några funktionsrelevanta parametrar, som helst även ska vara möjliga att mäta med släpnålsinstrument (2D) i löpande produktion. 3D-Topometern WYKO NT-2000 har sedan anskaffningen år 2000 varit värdefull för analys av slitage (förändringar i både form och topografi) samt för analys av sporadiskt förekommande avvikelser från normalt bearbetade ytor i produktionen. Däremot har det inte varit möjligt att direktöversätta Topometerns 3D-data till motsvarande 2Ddata från släpnålsinstrument. Främsta anledningen är att den filtrering som görs med låg- och högpassfilter i ett släpnålsinstrument inte kunnat tillämpas. Topometerns programvara Vision32 innehåller visserligen stylus-rutiner, men de tycks vara behäftade med vissa buggar. Ett alternativ kan då vara att använda dess generella Fourier-filtrering, där man kan välja bandpassfilter med valbara gränsvåglängder (mm -1 ) samt rektangulärt, Butterworth eller exponentiellt filterfönster. Vid utvecklingen av optimal filtrering för korrelering av 3D-data med 2Ddata, så är Andreas Almqvists forskning inom HiMeC av stort värde. Avsett för: 1 teknolog (20p), M eller F. Tillgänglig utrustning är WYKO NT-2000 och Mahr M2 hos Indexator, samt hos LTU en WYKO NT-1100 och ett äldre släpnålsinstrument från Taylor Hobson. Utförs vid: Luleå tekniska universitet och/eller Indexator AB, Vindeln. Kontaktpersoner: Richard Larker, richard.larker@indexator.se, Forskning & Utveckling (materialval, tribologi & provning), Indexator AB, Box 11, 922 21 Vindeln, 0933-148 46 (direkt DECT), 0933-148 00 (växel), 0933-148 99 (fax), 073-020 96 90 (mobil), hemsida: www.indexator.se och Roland Larsson, LTU, tfn 0920-491325, rola@ltu.se 7

SKF MSc thesis project Influence of lubricants containing EP and AW additives on tribological behaviour of NoWear coated surfaces Background SKF has developed a NoWear coating for unfavourable load/speed situations and stand still vibrations. For example NoWear bearings have been used in paper mills soft calendars and for windmill gearbox bearings. The proposed MSc thesis work is intended to gain understanding of the tribological behaviour of the NoWear coating when lubricated with oils containing different extreme pressure (EP) and antiwear (AW) additives. Aim of and scope of the project The aim of this MSc thesis project is to investigate the influence of different lubricants containing EP and AW additives on tribological behaviour of NoWear coated surfaces. It is anticipated that this work will lead to some preliminary understanding of the behaviour of NoWear coating in presence of lubricants containing EP and AW additives. The scope of this project includes the following work: Literature review Formulation of model lubricating oil samples (to be done by Statoil) Tribological studies by using two discs that have individual speeds in order to adjust speed, slip and load parameters. SEM/EDS analysis No. of students required for this project: 2 Location of work: The project work will be carried out at Tribolab, Division of Machine Elements, LTU Contact persons Professor Braham Prakash Div. of Machine Elements, Luleå University of Technology Luleå SE-971 87 SWEDEN Tel: +46 (0)920 493055 Mobile: +46 (0)70 5298655 Fax: +46 (0)920 491047 E-mails: braham.prakash@ltu.se Dr. Marica Gustafsson Product Specialist & Business Development Engineer, NoWear SKF Sverige AB, Industrial Division, Prominent Need Developments Office: +46 (0)31 337 3084 Mobile: +46 (0)70 597 3084 Fax: +46 (0)31 337 2535 E-mail: Marica.Gustafsson@skf.com 8

Tillämpad homogenisering, modellering och simulering av hydrodynamiskt smorda glidlager. Ytans topografi påverkar definitivt förhållandena i hydrodynamiskt smorda kontakter. Att simulera ett glidlager med hänsyn tagen till topografi kräver en högupplöst lösningsdomän, vilket orsakar problematiskt långa simuleringstider. Homogenisering är en matematisk teknik som innefattar en transformation av problemet till ett homogeniserat problem definierat på en betydligt mindre upplöst domän. En förstudie har visat att ett lagers lastbärande förmåga kan predikteras med den homogeniserade lösningen av ett antal modellproblem med verklighetsanknytning. Examensarbetet innebär att: Utföra en litteraturstudie i området. Implementera det homogeniserade problemet (en 2D partiell differential ekvation) i programvaran FEMLAB. Studera yttopografins inverkan på lastbärande förmåga hos ett antal glidlager applikationer Du som sökande förutsätts vara teoretiskt lagd/intresserad. Arbetet utförs på Luleå tekniska universitet. Examensarbetaren placeras på Maskinelement men kommer även att samarbete med homogeniseringsgruppen på Matematik. Möjlighet till presentation samt publikation vid FEMLABs årliga konferens finns. Avsett för: F eller M (eller andra med lämplig matematisk bakgrund och intresse) Utförs vid: Luleå tekniska universitet samarbete mellan Matematik och Maskinelement Kontaktpersoner: handledare Andreas Almqvist, LTU, tfn 0920-492407, almqvist@ltu.se, och examinator Roland Larsson, LTU, tfn 0920-491325, rola@ltu.se 9