NASCARエンジニアが高性能顕微鏡を使用してエンジンの故障を理解する方法

写真:ECRエンジン

NASCARエンジンがトラックで爆発した後、どうなるのか疑問に思ったことがあるなら、それはあなたの幸運な日です。これは、これらのエンジンが再び故障しないことを確認するための真剣にオタクな故障分析です。

ECR Enginesは、ノースカロライナ州ウェルカムを拠点とするNASCARエンジン開発者です。独自の研究、開発、製造を行っている同社は、主にリチャードチルドレスレーシングチームのために、毎年650シボレー358立方インチ、約750馬力のV8エンジンを開発しています。

科学者とエンジニアのグループが最近私に連絡を取り、NASCARエンジン部品の故障の検査と分析に専念し、最終的に何が悪かったのかを解明するための精密測定施設である計測ラボで行われているエキサイティングなことを示しました。

写真:ECRエンジン

故障モードを分析する際の重要な機器は、Zeiss走査型電子顕微鏡(SEM)です。これは、ECRによると100万倍を超える拡大能力があるとのことです。それを直視して、科学者が強力な機械で撮ったいくつかの部品の故障写真を見てみましょう。

写真:ECRエンジン

この最初のものは、バルブトレインの重要なコンポーネントであるロッカーアームを3,300倍に拡大したものです。ロッカーアームは、プッシュロッドによって一方向に回転して吸気バルブまたは排気バルブを開き、次にバルブスプリングによって他の方向に回転してバルブを閉じます。

しかし、分析のきっかけとなったのは実際にはダイナモテストの実行中のバルブスプリングの故障であり、ロッカーアーム自体ではなかったため、ECRエンジニアはロッカーアームが最初の原因であることを知りませんでした。SEMの下で壊れたバルブスプリングを調べ、縞模様と停止マーク(高サイクル疲労破壊の指標)に気付いたが、重大な欠陥はなかった後、探偵チームはシステムの他の部分を詳しく調べて、それらが何らかの形で寄与しているかどうかを確認しました。疲労破壊に。

上の画像で彼らが発見したのは、この特定のロッカーアームが適切に研磨されていなかったことです。その結果、ベース工具鋼から露出した炭化物(硬くて研磨剤として機能する)が相手のプッシュロッドに摩耗し、高いバルブラッシュを引き起こし、バルブスプリングに過度のストレスを与え、最終的にスプリングが故障しました。

写真:ECRエンジン

上の画像は、バルブスプリングの破面にある前述の縞模様と停止マークを示しています。ECRチームによると、このようなパターンは高サイクル疲労の指標です。

写真:ECRエンジン

上の写真は、バルブスプリングの表面下の高応力疲労破壊を示すさらに拡大したものです。ECRによると、「魚眼」放射状伝播パターンは、古典的な疲労破壊の景品です。

写真:ECRエンジン

しかし、かなり高い応力がかかり、1秒間に75回循環するバルブスプリングは、嵌合コンポーネントとは関係がなく、すべてが独自の材料特性と関係があるために故障することがあります。

たとえば、上の画像は、壊れたバルブスプリングの破断面を詳しく見たものです。写真は、亀裂の原因となった鋼の長さ5ミクロンの表面下のボイドを示しています。

チームは分光計(材料の組成を知る方法)を使用して、ボイド内に別の非金属材料の一部がまだ残っていることを確認しました。このような非金属不純物は介在物と呼ばれ、この場合、応力集中が発生して亀裂が発生し、部品が破損しました。

このような状況では、製鋼プロセスに起因する材料の欠陥が原因でエンジンのバルブスプリングが故障した場合、ECRはバルブスプリングのバッチ全体にフラグを立てて検疫し、汚染された部品が別のエンジンに入らないようにします。その後、チームはそのような不純物を避けるために材料または製造プロセスに変更を加える可能性があります。

写真:ECRエンジン

上の画像は、疲労破壊の「特徴的なブルズアイパターン」を備えたバルブスプリング破面を示しています。この場合、故障は小さな非金属介在物から始まりましたが、それはまだ所定の位置にあります(前の写真のように、ボイドを示したばかりです)。

繰り返しになりますが、この場合、チームは製品ライフサイクルデータベースを使用します。このデータベースは、各エンジンビルドのシリアル化された個々のコンポーネントを追跡し、どのバッチにあるかを判断して、そのような欠陥に対して脆弱であると思われる他のパーツを隔離します。

写真:ECRエンジン

この画像は、2016年7月のエルドラスピード​​ウェイでのレース中にECRが「マイクロムーブメント」と呼んだ結果として表面がフレッチング損傷を受けたメインベアリング(エンジンブロックとクランクシャフトの間のベアリング)を示しています。

ここでの問題は、ベアリングの半分が互いに十分な「クラッシュ」を持たず、ボア内でしっかりと保持できないことでした。そのため、ベアリングキャップをトルクダウンした後でも、ベアリングはクランクシャフト軸を中心に少し前後に回転し、ベアリングキャップをこすります。これは失敗には至りませんでしたが、チームは適切なクラッシュを確実にするためにベアリングに変更を加えました。

写真:ECRエンジン

上の画像は、曲げ疲労のためにねじ山の根元でレースの途中で失敗したコネクティングロッドボルトを示しています。コネクティングロッドは、壊滅的な事態の発生時にオイルパンからまっすぐに発射されます。

コネクティングロッドが適切に機械加工されていなかったため、コネクティングロッドキャップを保持しているボルトが底を打ちました。これは、エンジンアセンブラがボルトに適切なトルクを加えたにもかかわらず、高いエンジン速度でコネクティングロッドとピストンからの慣性を克服するために必要なクランプ荷重をスレッドが生成していなかったことを意味します。

その結果、ベアリングキャップは実際にコネクティングロッドから離れ、ジャーナルボアを伸ばし、ロッドボルトを繰り返し疲労させ、最終的に上の写真に示す破面で破壊したいと考えていました。

写真:ECRエンジン

コネクティングロッドボルトの場合のように、科学者は破断面の一部だけが縞模様(疲労の指標)で覆われているのを見ることがあります。これは、疲労亀裂が十分に伝播した後、部品が応力に耐える断面積を使い果たし、ほぼ瞬時に破損するためです。

上の写真は、コネクティングロッドの「ミクロボイド合体」を示しており、このような瞬間的な延性過負荷シナリオがSEMの下でどのように見えるかを視覚的に示しています。

写真:ECRエンジン

この画像は、鋼部品の慣らし性を改善することを目的とした「微結晶リン酸塩前処理」のクールな研究写真であるため、それほど失敗ではありません。コーティングの主な仕事は、たとえばカムシャフトやリフターの初期摩耗を減らすために、オイルを保持することです。

写真:ECRエンジン

前の画像と同様に、このSEM画像は、ECRがエンジン部品の多くに塗布する3〜5ミクロンの厚さの薄膜コーティングである「物理蒸着」を示しています。

ハードコーティングは優れた摩耗特性と低摩擦を提供しますが、それはそれが適用される部分と同じくらい良いだけです、とECRのアナリストジムスースは私に言いました。たとえば、上の画像の1つは機械加工されていますが、研磨されていないため、材料仕上げのピーク(暗い線)がコーティングを突き抜けて、嵌合部品の故障を早めます。

写真:ECRエンジン

ほとんどの場合、レンズの下を通過する部品は、動力計のテスト中に故障したエンジンからのものです。ECRには、実際には、エンジン速度と負荷のマップがあります。これは、たとえば、Coke 600(シーズン最長のレース)中にエンジンが見る可能性のある動作点をシミュレートします。テクニカルディレクターのアンディランドルフ博士は、「[ECR]は、高度に計測された実験室環境で、どのトラックからでもフルレースを実行できます」と語っています。

また、dynoテストは完全ではありませんが(たとえば、ラボでは横方向の加速やオイルフローへの影響をシミュレートできません)、実際の動作と同様の動作ポイントでエンジンを実行し、障害を観察してから、障害のあるコンポーネントを下に置きます。顕微鏡であるECRは、レース当日の前に、エンジンコンポーネントのすべての故障を前もって確認することを望んでいます。時々ですが、それは常に避けられるとは限りません。

たとえば、ライアン・ニューマンは、カンザスでの土曜日のレースの途中で、ある種のボトムエンドの失敗であると彼が考えているためにエンジンを失った、と彼はパドックトークに語った。ECRは日曜日にそのエンジンを施設に戻し、根本原因を理解するためにエンジンを分解しました。チームは現在もそれに取り組んでいますが、すぐに回答があります。これは、ECRによると、チームが将来の障害を解決して防止するために、チームがどれほど迅速に作業しなければならないかを示す良い例です。場合によっては、科学者はほんの数時間以内に故障したエンジンのトラブルシューティングを行う必要があります。

写真:ECRエンジン

このような徹底的な調査を短時間で行うために、ECRはインシデントのすべての背景情報を収集することから始めます。たとえば、ダイナモで障害が発生した場合、実行されているテストスケジュールは何でしたか?レース中にエンジンが故障した場合、このレースはどこにありましたか?ドライバーまたはdynoオペレーターは、障害につながるイベントについて何を教えてくれますか?(この後者の部分は危険な場合があります。何が起こったのかについて先入観を持たせたくないからです。データを話させるのが最善だとアナリストのジム・スースは私に言いました)。

破損につながるイベントの詳細については、ECRアナリストは、常にダイナモで監視されているため、いくつかのエンジンパラメーターを確認することもできます。ECRは車のECUからテレメトリをダウンロードできるため、このデータの一部は実際のレース後にも利用できます。テレメトリには、液温、エンジン速度、スロットル位置、エンジン真空、油圧などのセンサー読み取り値が含まれます。

写真:ECRエンジン

背景情報を収集した後、チームは故障したエンジンを分解し、たくさんの写真を撮り、エンジニアは背景情報をガイドとして使用して、一次および二次故障の検索を開始します。

9,300 RPMで回転できるエンジンで一次故障と二次故障を区別することは、ドライバーまたはテストオペレーターが故障に気付いた後、どれだけ早くエンジンを停止できるかに大きく依存する大きな作業です。時間がかかりすぎると、他の近くのエンジンコンポーネントと同様に破面が損傷するため、累積疲労サイクルのカウントが困難になる可能性があります。壊れた近くのコンポーネントは、二次的なものから一次的な障害を特定する際に水を濁らせる可能性があります。

写真:ECRエンジン

この1つの358立方インチプッシュロッドV8エンジンに焦点を当てているため、ECRは、特定の部品でどのようなことが障害を引き起こす可能性があるかをよく知っています。しかし、チームが確信が持てない場合は、破面を調べるだけで(複数の部品が故障した後、損傷していない小さな破面だけが残る場合があります)、疲労または過負荷故障モードを特定します。

破損したコンポーネントが多数ある場合、数サイクルで過負荷または破損した部品(低サイクル疲労)は二次故障モードになる傾向がありますが、高サイクル疲労が主な原因であることがよくあります。そのため、チームは1つずつ破面を分析してさまざまな故障モードを分離し、根本原因を絞り込みます。壊れた部品が1つか2つしかない場合は、はるかに簡単で、低倍率(20〜30倍)の実体顕微鏡で部品をざっと見ることもあります。

場合によっては(バルブスプリングなどの)故障が発生しますが、亀裂の起点に材料の欠陥はなく、過度のストレス状態を引き起こす可能性のある明らかに摩耗したロッカーアームはありません。資料がチェックアウトしているように見える場合、チームはシステムをより深く掘り下げる必要があります。おそらく、たとえば、カムシャフトのプロファイルがばねの材料に対して攻撃的すぎるかどうかを分析する場合があります。

写真:ECRエンジン

故障モードを理解することは、エンジンの耐久性と性能の最適なバランスのためにコンポーネントを最適化することにより、ECRエンジンが競争上の優位性を獲得するのに役立ちます。

そして、NASCARによって厳しく規制されているエンジンにどれだけの開発作業が含まれているのか疑問に思っているなら、答えは次のとおりです。テクニカルディレクターのアンディランドルフ博士は、NASCARがエンジンアーキテクチャ(「シリンダー数、最大排気量、最大ボアサイズ、バルブトレインレイアウト」)を指定しているにもかかわらず、エンジンショップが改善する余地がたくさんあると言って私にそれを分解しましたルールによって制約される部品のパフォーマンス(たとえば、材料、表面仕上げ、コーティング、または公差を変更することによって)。

彼は続けた:

したがって、標準化されたエンジンジオメトリとバルブトレインレイアウトにもかかわらず、これらのエンジンショップではまだ多くの材料科学が行われています。そして、間違いなく、その物質科学の仕事の最もエキサイティングな部分は、走査型電子顕微鏡のバレルの真下で起こります。そこでは、科学者は、なぜエンジンが爆発したのかという謎を解明しようとします。

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