(standard mechanical tests for alloy wheels and the role ... · delivery to customer 13 ํ, 30...

ดร.สมบรณ โอตรวรรณะ

somboono@mtec.or.th

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