Three unprecedented dual metal crankshafts for heavy-duty diesel engines up to 3,000 hp are proposed and thoroughly investigated by comprehensive multi-body dynamic finite element analysis and supporting experiments. The dual metal crankshafts are basically made of ductile cast iron and high strength forged steel, and the two dissimilar metals are proven to be seamless by a series of tensile tests using bimetallic specimens. The dual metal approach is made in order to achieve both cost effectiveness and shortened manufacturing lead time simultaneously. The new approach is basically realized by casting of ductile cast iron in a mold assembled with pre-machined steel parts. Historical researches and experiments already proved that the monometallic crankshaft of only ductile cast iron is not able to replace a conventional forged steel crankshaft. Therefore, casting-based crankshaft should be reinforced by high strength structures, especially for critical areas such as the fillets of crank pins and journals. Three dual crankshafts are designed to achieve equivalent structural strength not sacrificing manufacturing advantages of casting.
The reinforcing members of forged steel are implemented in three ways for the three dual metal models. The first dual metal approach so-called BM1 crankshaft is to put barrel-shaped steel pipes in the center of both crank pins and journals to complement inferior mechanical properties of ductile cast iron, FCD700. The second duel metal approach named BM2 crankshaft uses reinforcing steel members more extensively than the first one does, putting forged steel pipes in the center and outside of crank pins and journals. The second model is more advanced than the first one because the second one effectively strengthens up the most critical areas of a crankshaft, the fillets of crank pins and journals, by the high strength steel. The third model designated as BM3 crankshaft is quite a bold approach to have only crank webs made of ductile cast iron. Including crank pins and journals, the reset of the body of the third model is all made of forged steel, which is meant to maximize its torsional stiffness and minimize its torsional vibration.
The conventional crankshaft and the three proposed dual metal ones are evaluated by state of the art multi-body dynamic analysis. The multi-body dynamic approach proposed in the study is very comprehensive because it includes all the key components of a cranktrain such as a crankshaft, pistons, connecting rods, a flywheel, a pulley and even dynamometer. In addition, hydrodynamic journal bearings and allowable radial clearance of journals are effectively implemented by so-called quasi-hydrodynamic approach which is given in this study. Combination of the quasi-hydrodynamic method and external loading by constant velocity on the dynamometer is quick and effective to simulate closely any cranktrains of either in-line or Vee formation. The proposed multi-body dynamic approach with a full deformable crankshaft is supposed to bear much more accurate results than static analysis with partial portion of a crankshaft, for instance, single or half crank throw. Another competitive advantage of the proposed multi-body approach is no need to consider the worst loading case and the most severely loaded part of a crankshaft, which overcomes all the historical struggles to find them.
The proposed multi-body dynamic analysis turned out that the third dual metal crankshaft with the steel crank pins and journals connected by the crank webs of ductile cast iron was capable of replacing conventional monometallic steel crankshaft in term of fatigue safety factor which is calculated by scaled normal stress method. Even in extremely harsh virtual operating condition with maximum gas pressure of 210 bar, the third model was expected to operate normally. On the other hand, other two dual metal designs were not up to the minimum fatigue requirement especially in case of the extreme virtual operating case with 210 bar $P_{max}$. Since modern heavy-duty diesel engines generally have maximum gas pressure up to 210 bar, the successful operation in this condition is prerequisite to realize the ultimate objective of this study. Feasibility of the simulation is proved by an experiment of torsional vibration with actual full-scale operational diesel engine using optical rotary encoder. The natural frequencies of the conventional crankshaft were obtained by the experiment, and the results revealed that there was good agreement of the natural frequencies between the simulation and the experimental results. Consequently, one of the proposed dual metal crankshafts is expected to be able to replace conventional monometallic one finally achieving both cost effective and reduced manufacturing lead time in accordance with the corresponding fatigue performance to the conventional one.
최대 3,000 마력까지의 고출력 중속디젤엔진에 사용하기 위한 세 가지의 이종금속 크랭크샤프트를 제안하고, 다물체 동력학과 실험을 통해 이들의 성능에 대한 검증을 수행하였다. 제안된 이종금속 크랭크샤프트에 사용된 재질은 구상흑연주철과 고강도 단조강으로써, 이종금속 시편을 이용한 일련의 인장강도 실험을 통해 이 두 가지 금속이 완벽하게 접합이 되었음을 증명하였다. 이종금속을 이용하는 방법은 무엇보다도 크랭크샤프트의 가격경쟁력 제고와 제조기간을 단축하고자 하는 의도로 제안되었다. 이종금속의 접합은 이미 가공이 완료된 단조강 부품을 주물을 위한 조형 작업 시 함께 삽입한 뒤 구상흑연주철의 용탕을 주입하므로써 이루어진다. 구상흑연주철로만 이루어진 중속디젤엔진용 크랭크샤프트는 이미 과거의 많은 연구와 실험을 통해 단조강으로 제작된 크랭크샤프트를 대체하기 어렵다는 것이 증명된 바 있다. 따라서, 주조 방식으로 제작되는 크랭크샤프트의 경우 크랭크핀과 저널의 필렛과 같은 부위는 반드시 고강성의 구조로써 보강이 이루어져야만 한다. 본 논문에서 제안된 세 가지의 이종금속 크랭크샤프트는 주조 방식의 이점을 유지하면서 단조강 크랭크샤프트와 동일한 구조적 강성을 유지하도록 설계되었다.
이종금속 크랭크샤프트에서 단조강을 이용한 취약 부위의 보강은 세 가지 방법으로 제안되었다. BM1이라고 명명된 첫 번째 이종금속 크랭크샤프트는 FCD700 구상흑연주철의 단조강 대비 취약한 기계적 성질을 보완하기 위해 크랭크핀과 저널의 중앙에 가운데가 볼록한 형상의 단조강 파이프를 삽입한 구조를 가지고 있다. BM2라고 명명된 두 번째 이종금속 크랭크샤프트는 단조강으로 제작된 보강 파이프를 크랭크핀과 저널의 내측과 외측에 모두 배치하는 구조를 가지고 있다. 두 번째 이종금속 크랭크샤프트는 크랭크샤프트에서 가장 취약한 부분인 크랭크핀과 저널의 필렛 부분을 단조강으로 보강하기 때문에 첫 번째 설계안보다 더 진보된 개념이라고 할 수 있다. BM3라고 명명된 세 번째 이종금속 크랭크샤프트는 크랭크핀과 저널을 모두 단조강으로 제작하고, 이들을 연결하는 크랭크웹은 구상흑연주철로 제작하는 구조를 가지고 있다. 크랭크핀과 저널을 단조강으로 제작하므로써 비틀림 강성을 최대화하고 이에 따라 비틀림 진동을 최소화하고자 하였다.
기존의 순수 단조강으로 제작된 크랭크샤프트와 제안된 세 가지의 이종금속 크랭크샤프트를 모두 다물체 동력학을 이용하여 평가하였다. 평가에 사용된 다물체 동력학 방법은 크랭크샤프트 뿐만 아니라 피스톤, 커넥팅로드, 플라이휠, 풀리, 다이나모미터 등을 포함하는 매우 포괄적인 평가 방법이다. 뿐만 아니라, hydrodynamic 저널 베어링 및 베어링과 저널의 간극을 정확히 모사하기 위해 quasi-hydrodynamic이라고 명명한 방법을 이용하여 해석을 수행하였다. Quasi-hydrodynamic 저널 베어링과 다이나모미터에 등속회전 하중을 부여하여 크랭크트레인을 해석하는 방법은 inline 및 Vee형 엔진에서 모두 사용할 수 있는 매우 효과적인 방법이다. 본 연구에서 제안된 deformable 크랭크샤프트를 이용한 다물체 동력학 해석 방법은 한 개 혹은 반 개의 크랭크 쓰로우만을 이용하여 해석을 수행하는 전통적인 정적 해석 방법에 비해 월등히 정확한 결과값을 가져다 줄 수 있다. 또한, 본 연구에 사용된 다물체 동력학 평가 방법은 기존의 연구에서 찾기 어려웠던 가장 열악한 하중 상태를 매우 쉽게 찾을 수 있도록 해준다.
제안된 다물체 동역학을 이용한 평가 결과, 세 번째 이종금속 크랭크샤프트인 BM3 모델이 scaled normal stress 방법에 의한 피로안전율 측면에서 기존의 단조강 크랭크샤프트를 대체할 수 있는 성능을 보임을 알 수 있었다. 최대 폭발압력 210bar의 열악한 운전 조건 하에서도 BM3 이종금속 크랭크샤프트는 정상적으로 운전이 가능함을 보여주었다. 반면에, BM1과 BM2 이종금속 크랭크샤프트의 경우 210bar의 최대 폭발압력 조건에서 필요한 최소 피로안전율에 미치지 못함을 확인할 수 있었다. 최신 중속디젤엔진의 경우 일반적으로 최대 폭발압력이 210bar까지 증가하기 때문에, 이러한 운전 조건에서의 정상운전은 반드시 만족되어야 한다. 사용된 다물체 동력학을 이용한 평가 방법에 대한 검증은 실제 대상이 되는 중속디젤엔진과 단조강 크랭크샤프트 그리고 로터리 엔코더를 이용한 비틀림 진동 측정 실험을 통해 수행하였다. 엔진의 운전 중에 단조강 크랭크샤프트의 고유진동수를 실험적으로 측정한 결과 해석에서의 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 제안된 BM3 이종금속 크랭크샤프트의 경우 단조강 크랭크샤프트와 유사한 피로 성능을 보이는 것을 통해 기존 단조강 크랭크샤프트를 대체할 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 크랭크샤프트의 생산단가를 낮추고 제조기간을 획기적으로 단축시킬 수 있음을 확인하였다.
