Parametric study and optimization of three-piece oil control ring's expander geometry in spark-ignition engines.

Abstract

O objetivo desta tese é a otimização da geometria do componente expansor presente no anel de controlo de óleo, através de um processo iterativo indutivo-dedutivo. Este estudo envolveu o design paramétrico do expansor, para estudar a sua geometria complexa, utilizando o Método dos Elementos Finitos. Primeiramente, um estudo intensivo ao processo de manufatura do expansor foi realizado a fim de conceber um modelo estrutural posteriormente utilizado no modelo numérico. É também realizada uma análise de sensibilidade sobre a influência das dimensões geométricas na rigidez do anel, considerando também a variabilidade induzida pelos processos de conformação necessários para a produção do anel. O modelo numérico construído para analisar o anel de controlo do óleo foi extensivamente estudado, de modo a compreender a importância dos efeitos não lineares resultantes das suas condições de trabalho. Na medida que o modelo foi validado, realizou-se uma análise de Design de Experiências e Design Fatorial Fracionado, para compreender a importância relativa de cada parâmetro geométrico sobre a rigidez do anel de controlo de óleo e possíveis interações entre eles. Mais tarde, aplicou-se a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) para descrever o comportamento da rigidez dos anéis, em função dos parâmetros geométricos mais relevantes. Finalmente, aplicaram-se algoritmos de otimização para determinar o design ótimo do anel, para uma rigidez específica, considerando os constrangimentos impostos pelas condições de trabalho, tais como o pop-out e a dispersão da força tangencial relativa à geometria.

The goal of this thesis is the optimization of the geometry of an Oil Control Ring’s expander, through an iterative inductive-deductive process. This study involved the parametric design of the oil control ring’s expander, to study its complex geometry using the Finite Element Method. First, an intensive study on the expander's manufacturing process took place to build the expander's structural model for the numerical model. A sensitivity analysis on the influence of the geometrical dimensions on the ring’s stiffness is done, considering also the variability induced by the forming processes necessary for the ring’s expander production. The numerical model built to analyze the oil control ring was extensively studied, to understand the importance of nonlinear effects resulting from its working conditions. As the model was validated, Design of Experiments and Fraction Factorial Design analysis was performed, to understand the relative importance of each geometrical parameters on the oil control ring stiffness and possible interactions between them. Later, the Response Surface Methodology was applied to describe the ring stiffness behavior, in function of the relevant geometrical parameters. This allows the application of optimization algorithms to determine the optimal design of the ring, for a specific stiffness, considering the constraints imposed by working conditions such as pop-out and tension dispersion concerning geometry. In the end, conclusions and future work improvements are briefly listed.