Lic.-avh. Luleå : Luleå tekniska univ., 2004. / Härtill 2 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Karlstad : Karlstads universitet, 2008. / Härtill 7 uppsatser.

A crankshaft is a component which is used to convert a reciprocating movement into rotating or vice versa. Through the past years classical manufacturing techniques did not leave space for a new approach regarding manufacturing this component. Powder Metallurgy provides a manufacturing technique which can revolutionize this procedure and make it more economical and more efficient. In order for this to be achieved, the crankshaft must be produced in different pieces. Webs, counter-webs and journal shafts must be produced individually and assembled together. The main challenge in this thesis is to understand if the crankshaft’s counter webs could be manufactured all in the same pieces or in as less pieces as possible. This thesis deals mostly with the technical requirements and proposing a new modular design. A kinematic-kinetic analysis is performed by using the values from the existing crankshaft which has been scanned and converted into a CAD model. The numerical values from the kinetic-kinematic analysis in Matlab are compared with a MBS model from Adams. Then the balancing of the crankshaft is analyzed and it is investigated how the counterweights should be arranged in space and what should be the mass and the geometrical properties of them. From the component’s design specifications, several models are generated and evaluated with the Pugh matrix. The original and the new proposed models are compared as far as concern the mass, center of mass, mass moment of inertia and natural frequencies. / En vevaxel är en motorkomponent som används för att omvandla den fram- och återgående rörelsen hos kolv och vevstake till en roterande rörelse. De klassiska metoderna att tillverka vevaxlar har varit dominerande och inte gett någon plats för alternativa tillverkningsmetoder. Powder manufacturing är en metod som kan revolutionera produktionens effektivitet och ekonomi. För att denna tillverkningsmetod ska vara möjlig måste vevaxeln tillverkas i delar. Webs, counter-weights och journal shafts måste produceras individuellt för att sedan sammanfogas. Den största utmaningen för denna avhandling är att förstå om vevaxelns counter webs kan tillverkas med samma form eller med så få olika former som möjligt. Denna avhandling handlar främst om att fastställa dessa tekniska krav och föreslå en ny, modulär design för PM. En kinematisk-kinetisk analys utförs med hjälp av en befintlig vevaxel som skannats och omvandlats till en CAD-modell. De numeriska värdena jämförs med en MBS-modell från Adams. Vevaxeln analyseras med avseende på balansering då motvikternas placering, massa och geometriska egenskaper undersöks. Nya modeller som följer de tekniska krav som krävs skapas och utvärderas med Pugh-matris. De nya föreslagna modellerna jämförs med den ursprungliga utformningen med tanke på massa, masscentrum, MMOI och egenfrekvenser.

The purpose of this bachelor thesis is to design and optimize a powder metal gear through FEM-analyzes. The moment of inertia and weight of the gear shall be reduced at the same time as the demands on tension and bending stiffness are met. The gear that is used as reference and will be optimized is the standard gear in the FZG-rig at the department of Machine Design at KTH. The work is initiated with a literary study. After that a CAD-model of the gear and its pinion is created in Solid Edge. Then the reference gear is analyzed in the FEM-program Ansys and control calculations are made according to standards and handbooks. Thereafter different geometry and density variations are made and tested. The tests are then compared to the reference gear. By varying the density of the gear and varying the geometry of the waist of the gear several different optimization proposals could be made. By cutting material off the waist of the gear the weight can be reduced by 6 % with an increase in bending stress of 1 %. If a bigger increase in bending stress is allowed more material can be removed. If the bending stress increase is allowed to be 5 % a decrease in weight and moment of inertia of 14 % is obtained. With an increase in deformation of 5 % a decrease of 11 % in weight and moment of inertia was obtained. The different tested geometries behave relatively equal up to a 3 % decrease in weight with respect to deformation but begins to vary considerably if the weight is further decreased. Removal of material should be symmetric around every gear tooth to avoid transmission failure which also leads to increased noise. The results show that it is better to remove material under each gear tooth rather than under the root. It is also advantageous to remove material close to the flange. Further work is required to analyze and optimize the gears even more. Fatigue tests as well as different load cases should be analyzed. / Syftet med kanditatexamensarbetet är att ta fram och egenskapsoptimera ett pulvermetallurgiskt kugghjul med hjälp av FEM-analyser. Tröghetsmomentet och vikten på kugghjulet ska minimeras samtidigt som kraven på spänningar och böjstyvhet uppfylls. Det kugghjul som används som referens och ska optimeras är standardkugghjulet i FZG-riggen på institutionen för maskinkonstruktion på KTH. Arbetet inleds med att en litteraturstudie görs. Sedan tas en CAD-modell för kugghjulet och dess tillhörande drev fram i Solid Edge. Därefter analyseras referenskugghjulet i FEM-programmet Ansys och kontrollberäkningar görs enligt standarder och handböcker. Därefter konstrueras och analyseras olika geometrier och densitetsvariationer och jämförs med referenskugghjulet. Genom att variera densiteten på kugghjulet och variera geometrin på kugghjulets liv kunde flertalet optimeringsförslag tas fram. Genom att göra en utskärning i livet kan vikten minskas med 6 % utan att böjspänningen påverkas mer än 1 %. Om en större ökning i böjspänning tillåts kan ytterligare material avlägsnas. Om böjspänningsökningen tillåts vara ca 5 % kan en viktminskning och tröghetsmomentsminskning på ca 14 % åstadkommas. Vid en deformationsökning på 5 % erhölls en viktminskning och tröghetsmomentsminskning på ca 11 %. De olika geometrier som testas beter sig relativt lika upp till 3 % viktminskning med avseende på deformation och börjar därefter variera kraftigt. Borttagning av material måste ske symmetriskt kring varje kuggtand för att transmissionsfel och därmed ökat buller ska undvikas. Det visar sig att ta bort material under kuggen är bättre än att ta bort material under kuggroten. Det gynnsamt att göra geometriska förändringar närmast flänsen på kugghjulet. Vidare arbete krävs för att analysera och optimera kugghjulen ytterligare. Utmattningstester och fler lastfall bör analyseras.

The pores in pressed and sintered components constitute weak points in the material since the stress concentration is larger than the nominal stress there. Therefore, fatigue cracks initiate at the pores. Specifically, it can be assumed that the fatigue cracks initiate at the largest pore in the stressed volume. Studies have previously looked at finding ways to model the fatigue strength of the material based on the largest pore. This thesis looks at a model previously derived for hardened pressed and sintered materials that is based on linear elastic fracture mechanics and investigates if said model can be modified to include non-hardened pressed and sintered materials that do not necessarily behave linear elastically. A model describing the influence of the size of the largest pore on the fatigue limit using empirical coefficients is suggested. Furthermore, the area of the largest pore is modelled using extreme value statistics. The model proved successful in modelling the density effect of the porosity on the fatigue strength for two materials with different microstructures: one with a homogeneous microstructure and one with a heterogeneous microstructure. For the material with the homogenoeous microstructure the model also accounted well for the notch effect when tested on samples with a different geometry. However, for the heterogeneous material the model did not account for the notch effect. Deformation hardening due to local plastic deformation in the softer phases was suggested as a possible explanation and was supported by tensile tests.