The two objectives of this study were, first, to determine the optimal friction welding process parameters using finite element simulations and, second, to evaluate the mechanical properties of the friction welded zone for large piston rods in marine diesel engines. Since the diameters of the rod and its connecting part are very different, the manufacturing costs using friction welding are reduced compared to those using the forging process of a single piece. Modeling is a generally accepted method to significantly reduce the number of experimental trials needed when determining the optimal parameters. Therefore, because friction welding depends on many process parameters such as axial force, initial rotational speed and energy, amount of upset and working time, finite element simulations were performed. Then, friction welding experiments were carried out with the optimal process parameter conditions resulting from the simulations. The base material used in this investigation was AISI 4140 with a rod outer diameter of 280 mm and an inner diameter of 160 mm. In this study, various investigation methods, including microstructure characterization, hardness measurements and tensile and fatigue testing, were conducted in order to evaluate the mechanical properties of the friction welded zone.
The objective of the present study is to analyze the fluid flow with moving boundary using a finite element method. The algorithm uses a fractional step approach that can be used to solve low-speed flow with large density changes due to intense temperature gradients. The explicit Lax-Wendroff scheme is applied to nonlinear convective terms in the momentum equations to prevent checkerboard pressure oscillations. The ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) method is adopted for moving grids. The numerical algorithm in the present study is validated for two-dimensional unsteady flow in a driven cavity and a natural convection problem. To extend the present numerical method to engine simulations, a piston-driven intake flow with moving boundary is also simulated. The density, temperature and axial velocity profiles are calculated for the three-dimensional unsteady piston-driven intake flow with density changes due to high inlet fluid temperatures using the present algorithm. The calculated results are in good agreement with other numerical and experimental ones.
A gas spring provides support force for lifting, positioning, lowering, and counterbalancing weights. It offers a wide range of reaction force with a flat force characteristic, simple mounting, compact size, speed controlled damping, and cushioned end motion. The most common usage is as a support on a horizontally hinged automotive tail gate. However, its versatility and ease of use has been applied in many other industrial applications ranging from office equipment to off-road vehicles. The cylinder of a gas spring is filled with compressed nitrogen gas, which is applied with equal pressure on both sides of the piston. The surface area of the rod side of the piston is smaller than the opposite side, producing a pushing force. The magnitude of the reaction force is determined by the cross-sectional area of the piston rod and the internal pressure inside the cylinder. The reaction force is influenced by many design parameters such as initial chamber volume, diameter ratio, etc. In this paper, we investigated the reaction force characteristics and carried out parameter sensitivity analysis for the design parameters of a gas spring.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.6
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pp.238-249
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1995
The gas pressure acting on the rings in internal combustion engine influences the friction and wear characteristics. Inter-ring pressure variation during engine operation results from cylinder gas flow through a piston-ring pack. The flow passages consist of ring end gaps and clearances between the ring and the piston groove. The gas flow in the clearance between the ring and the groove is directly affected by the axial motion of the ring in the groove. In this paper the asperity contact force is newly considered in the prediction of the clearence between the ring and the groove surface. This term must be taken into account physically in case that the clearance get narrow rather than asperity height between the ring and the groove surface. Finally, comparisons of calculated inter-ring gas pressures based on the analytical method are made with the measured ones. The agereement was found to be good below midium engine speed, 3000rpm. In order to obtain accurate analytical results to the extend of high rpm range, it is recommended to include oil ring motion as well as top and second ring in analytical model.
In this paper, we present a mathematical model of the piezoelectric pump and its application to the automobile brake system. The piezoelectric pump consists of a multi-layered piezoelectric element a diaphragm, pumping values, resonant pipes and accumulators, and the maximum pumping power of 62W nab obtained in the previous experiments by using the piezoelectric element of 22mm diameter and 55.5mm length. A detailed mathematical model of the pump is derived here by considering the compressibility of the working oil, nonlinear characteristics of piezoelectric element, the time delay of pumping values' action and be on. The validity of the model is illustrated by comparing the experimental data and the simulation results. Using the mathematical model of the piezoelectric pump, a brake system for automobile disk brake is also simulated in this paper. The brake system consists of a piezoelectric pump as a power source, calipers and its piston to generate brake force, and a three position solenoid value to change the brake situation. It is shown that 15mm/sec of piston speed and 20kN of piston force are obtained by using the piezoelectric element of 33mm diameter and 55.5mm length.
Recently, requirements relating to performance, environment and noise in the oil hydraulic system of the heavy construction equipment have been reinforced continuously. In order to solve these technical trends, studies on the system compactness, operation under high pressure and great rotating speed, electronic control, substitute oil, and noise reduction have been progressed briskly. Among these recent studies, the system operation under high pressure is quite difficult to carry into effect due to mechanical limitations; that is, for realizing the system operation in the hydraulic pump under high pressure, the improvements or innovations on the design techniques, the manufacturing techniques, and the lubrication performance of the working oil are required. Accordingly, in this study, the stress distribution and optimum design factors under the maximum pressure were discussed by using stress analysis on the cylinder block of the hydraulic axial piston pump, which is one of the most important relative sliding regions.
Viscosity of hydraulic oils decreases due to loss reduction and efficiency increase of fluid power systems. However, low viscosity is not always appropriate due to the induction of large leakage and small lubricity. Therefore, a detailed study on the optimum viscosity of hydraulic oils is necessary. In this study, based on the thermohydrodynamic lubrication theory, numerical simulation was conducted using the slipper model of swashplate-type axial piston pumps and motors. The viscosity grades' (VG) effects of oils on power losses are mainly discussed numerically in fluid film lubrication, including changes in temperature and viscosity. The simulation results reveal that the flow rate increases and the friction torque decreases as VG decreases. The film temperature and power loss were minimised for a specific oil with a VG. The minimum conditions regarding the temperature and loss were different and closed. Under various operating conditions, the film temperature and power loss were minimised, suggesting that an optimum hydraulic oil with a specific VG could be selected for given operating conditions of pressure and speed. Otherwise, a preferable operating condition must be established to determine a specific VG oil.
A Beta-type Stirling engine is developed and tested on the operation stability and cycle performance. The flow rate for cooling water ranges from 300 to 1500 ml/min, while the temperature of heat source changes from 300 to $500^{\circ}C$. The internal pressure, working temperatures, and operation speed are measured and the engine performance is estimated from them. In the experiment, the rise in the temperature of heat source reduces internal pressure but increases operation speed, and overall, enhances the power output. The faster coolant flow rate contributes to the high temperature limit for stable operation, the cycle efficiency due to the alleviated thermal expansion of power piston, and the heat input to the engine, respectively. The experimental Stirling engine showed the maximum power output of 12.1 W and the cycle efficiency of 3.0 % when the cooling flow is 900 ml/min and the heat source temperature is $500^{\circ}C$.
A new combustion method of high compression ratio SI engine was studied and proposed in order to achieve high thermal efficiency, comparable to that of CI engine. Compression ratio of SI engine is generally restricted by the knocking phenomena. A combustion chamber profile and a cranking mechanism were studied to avoid knocking with high compression ratio. Because reducing the end-gas temperature will suppress knocking, a combustion chamber was considered to have a wide surface at the end-gas region. However, wide surface will lead to large heat loss, which may cancel the gain of higher compression ratio operation. Thereby, a special cranking mechanism was adapted which allowed the piston to move rapidly near TDC. Numerical simulations were performed to optimize the cranking mechanism for achieving high thermal efficiency. An elliptic gear system and a leaf-shape gear system were employed in numerical simulations. Livengood-Wu integral, which is widely used to judge knocking occurrence, was calculated to verify the effect for the new concept. As a result, this concept can be operated at compression ratio of fourteen using a regular gasoline. A new single cylinder engine with compression ratio of twelve and TGV(Tumble Generation Valve) to enhance the turbulence and combustion speed was designed and built for proving its performance. The test results verified the predictions. Thermal efficiency was improve over 10% with compression ratio of twelve compared to an original engine with compression ratio of ten when strong turbulence was generated using TGV, leading to a fast combustion speed and reduced heat loss.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.24
no.2
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pp.228-236
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2021
In order to understand the underwater noise source factor of the linear pump type forced ejection system, a reduced-model compressed water experiment device was developed. The reduced-model compressed water experiment device consists of a reverberation tank, a linear pump type forced ejection device, and an underwater vehicle. The underwater noise source was selected from the hydraulic ram moving speed, the hydraulic ram/piston pipe spacing, the ejection pipe inlet/water ram area ratio, and the number of water ram inlets. The underwater vehicle was ejected into the reverberation tank by the device. The source level was derived from the measured sound pressure. The source level tends to increase as the hydraulic ram/piston tube spacing and the hydraulic ram moving speed increase. The source level tended to increase as the area ratio was increased, but the level was weak. The number of water ram inlet did not affect the source level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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