SlideShare a Scribd company logo
1 of 34
Download to read offline
 
 
 
Four­Ball Tribometer 
Fall 2014 
 
Group Members 
CONTROLS TEAM STRUCTURES TEAM FABRICATION TEAM
Ana Dungan Whitney Stregles Daniel Griffin
Kelsey Kaht Robert Nalecz Colin Holliday
Steve Soto Riley Shay Casey Sheppard
John Willis Jordan Ansley Michael Spaulding
           Ibrahim Ahmed
 
 
Instructor:  Dr. Molina                                                                    Submitted: December 11, 2014 
Tribology is the study of how various materials interact in relative motion. A tribometer is a 
machine that has been designed to test some specific aspect of these interactions.There are many 
different potential set­ups for tribometers depending on what type of contact is being studied. The 
objective of this project was to design and fabricate a four­ball tribometer for the lab at Georgia 
Southern University. Four­ball tribometers implement a set­up in which three balls are placed in a cup 
while a fourth ball is added from the top with a specified pressure and rotated at a set speed. The two 
basic variations of the four­ball machine are based off of whether the bottom three balls are allowed to 
rotate freely or are locked into place. These two configurations can be used to gather different data and 
information about the materials in question. For this project the cup design will lock the balls in place 
for purely sliding contact tests. 
The first step for the project was establishing a timeline for the semester in order to set goals and 
milestones to help keep everybody on time and focused so that the project could be completed by the 
end of the semester. A Gantt Chart was created giving each phase of the design process a pre­determined 
amount of time with each of the three Milestone presentations marked as well. This chart can be seen in 
Appendix A, with both the original schedule (marked in grey) and the actual schedule of how the 
semester went (marked in green). Once the schedule was in place, the first stage of the plan was 
researching existing products in this field, the major components of the machine and the official 
standards which must be met by the new design. The following three ASTM standards were found 
concerning four­ball tribometers: D2266, D4172 and D5183. While most of the basic requirements for 
the standards were pretty similar, each one describes a different way of using the four­ball set­up. 
ASTM Standard D2266 covers the determination of the wear preventive characteristics of greases in 
sliding steel­on­steel applications, D4172 is the procedure for making a preliminary evaluation of the 
anti­wear properties of fluid lubricants in sliding contact and D5183 describes the procedure for 
determining the coefficient of friction.[1] These standards were used to set minimum and maximum 
capabilities for the new design as well as tolerances for the accuracy of some features. After reviewing 
the standards and researching existing four­ball tribometers, the group came together to do some 
brainstorming about potential solutions for the major components of the overall design. During the 
brainstorming stage a concept comparison table was developed for rating each potential solution based 
off of a set list of requirements. The major aspects of the design which were evaluated in the comparison 
tables were load application, torque measurement, wear measurement and how the top ball would be 
attached to the shaft of the motor. The comparison constraints included cost, ease of use, size safety, 
accuracy, maintenance and repeatability. Each team took a copy of the table and scored the various 
concepts on a scale of 1­10 based off of their efficiency in each constraint. The totals for each team were 
added up and the concept with the highest score for each component was pursued in the first project 
design. At this point a QFD Diagram was also implemented in an effort to determine whether the design 
would meet the customer requirements as well as the technical standards. As part of the QFD an attempt 
was made at comparing the new design with two of the existing machines available on the market. The 
concept comparison tables for each team, a summary table of the requirements set by each standard and 
the QFD diagram can be seen in Appendix A. After collecting and discussing the data from the various 
research tools used, a rough model of the initial design was drafted up into SolidWorks. 
The initial design was a very simple set­up without any advanced technological features. A basic 
table top stand was designed to support an inline motor which would rotate a drive with a ball attached 
at the end. The load would be applied from the bottom via a lever system with a strategically placed 
fulcrum and known weights attached at the end. A hydraulic press and screw operated jack were also 
considered for this purpose, but it was decided that both of these options made it difficult to calculate the 
exact pressure being applied and maintain a steady pressure. The torque measurement methods 
considered were either the direct use of strain gauges or a torque transducer. The original design 
implemented the use of strain gauges largely due to the high cost and large size of the torque transducer. 
The gauges would be applied to the support beam below the cup and calibrated by applying a known 
force. The top ball would be mounted to the drive shaft from the motor via a custom collet design. 
Pressing or screwing the ball onto the shaft were both considered, however press fitting would make the 
ball hard to remove without altering the wear scars and screwing would require drilling and threading 
every single ball, a very tedious and time consuming task that would be very inefficient.Two different 
cup designs were developed to allow for both rolling and sliding contact tests. The free rolling design 
consisted of a cup with a simple retainer to keep the balls from moving in the vertical direction and a 
screw on top to keep the lubricant from splashing out. The fixed bottom balls design would simply 
include an additional bottom that could be placed in the original cup with three indentations set to hold 
the balls in place and stop them from rolling. The concept of how to measure the wear on each ball was 
also considered and the final decision was to use a graduated cylinder to determine the volume of each 
ball before and after testing. Volume was chosen largely because of the lower cost associated with the 
graduated cylinders versus a scale. Solid models for the various aspects of this design were drafted up 
and presented in the first milestone presentation.  
At the end of the presentation Dr. Soloiu expressed concern that the strain gages would be 
difficult to work with and that measuring the torque with them would not be as straightforward as we 
anticipated. It was also pointed out that the level of accuracy that would be necessary for measuring the 
wear would be almost impossible to attain via the volumetric measuring system that was planned. Using 
mass scales to determine the weight of each ball was presented as a potential alternative, but more 
research needed to be done in order to determine the range of ball weights used for these tests and 
whether or not there is a scale to match both the range and accuracy that is needed for the wear 
measurements. Dr. Vlcek also reminded the group that Georgia Southern University has various high 
tech microscopes here on campus that can be used to measure the wear on each ball. Another question 
raised was how the group intended to control the temperature of the lubricant during testing. The 
original plan was to heat the lubricant to the specified temperature listed in the standards before the test 
began, but after further research it became clear that the starting temperature also had to be maintained 
throughout the test. 
After the first milestone, the group revisited the issues pointed out by the professors and began to 
alter the design to make use of the drill press Dr. Vlcek said could be used as a base. When meeting with 
professors about attempting to implement the use of the lever arm with the drill press it was pointed out 
that although the lever arm allows the force to be held constant (by applying a known weight) it does not 
have any way of accounting and adjusting for the change in friction as the balls become worn and the 
contact area is extended which will directly affect the torque measurements. In an effort to avoid this 
issue and also to make use of the existing structure of the drill press, some of the group members were 
tasked with determining what size pneumatic cylinder would be required to apply the necessary force 
via the lever on the press. Another concern that had to be addressed was the alignment of the bottom 
balls and cup with the drive shaft. These alignments need to be both extremely accurate and repeatable 
to allow for multiple test comparisons. The first solution implemented was a thrust bearing located 
below the cup which would allow it to move around on the plate and self align as the top ball was being 
lowered.  
At this time the controls group was largely focused on researching solutions for the problems of 
temperature control at the test site, wear measurement options, RPM control and measuring or 
calculating the coefficient of friction (as seen in standard D5138). The temperature control problem was 
initially solved by applying heating elements to the sides of the cup in order to keep the lubricant heated 
to the required temperature. A thermocouple with the necessary range and accuracy as dictated in the 
standards was also found for measuring and tracking the temperature during the test. The main method 
of tracking wear scars seen in the standards was the use of a wear measurement camera, a “microscope 
capable of measuring the diameters of the scars produced on the three balls to an accuracy of 0.01mm 
without removing the ball from the test cup.”[2] So for the second milestone a wear measurement camera 
was added to the design expenses. After studying the set­up of the motor in the drill press, it was 
determined that an encoder could easily be set­up on the drive shaft to feed rotation data to LabView. 
The encoder itself will only count the rotations, however LabView was easily programmed to track time 
as well and calculate the RPM of the motor. Force sensors were also added to the design in an effort to 
avoid the complicated set­up of strain gauges without turning to a large torque transducer. The plan was 
to attach tabs which would come off of the inner cup containing the balls and press against slots cut into 
the outer cup that would be attached to the unmoving base plate. The forces read by the sensors at the 
tabs could then be used to calculate the coefficient of friction. The controls group also found and priced 
appropriate Data Acquisition Systems and power sources for all of the electrical components. All 
changes leading up to the second design were then presented in the second milestone presentation. See 
Appendix section for detailed data, solid models, calculations and budgets. 
While the redesign had solved many problems, there were still changes that needed to be made 
and more information to be gathered before the approval would be given to start ordering parts for 
fabrication. The professors’ comments made it clear that the design had improved, but that the group 
needed more technical data to support some of the general statements that were being made during the 
presentation. Some of the major concerns after the second milestone were how the motor speed would 
be controlled throughout the test, how the normal load would be calculated or measured, whether or not 
the heat being supplied to the cup would be lost into the rest of the machine, the accuracy of the manual 
regulator on the pneumatic system and how the air for the pneumatic piston would be cleaned. The wear 
measurement camera was also vetoed for the project due to the high cost and the fact that the 
microscopes currently in the tribology lab are capable of making the same measurements. 
The most significant design change after the second milestone was a restructuring of the controls 
system for the project in order to implement an axial transducer with data relays to the DAQ for direct 
normal force measurement. This update to the design added fairly significantly to the overall budget, but 
reduced the amount of equations and calibration needed in the controls system which improves accuracy 
and reduces the chance for human error in the data gathering. The addition of the axial transducer also 
required an adjustment of the self­alignment  system. Since the dual cup design with a thrust bearing 
underneath created an extra moment that could not easily be accounted for, a self­alignment plate below 
the axial transducer was implemented instead. In an attempt to increase the accuracy and steadiness of 
the applied force from the cylinder, an electronic pressure valve was added to the pneumatic system 
instead of the manual regulator. The pressure valve could then be placed on a controls loop which 
constantly fed data into the computer and adjusted the valve based off of the readings from the 
transducer. A temperature controller was added in order to cut apply heating or cooling based off of the 
temperature of the lubricant being read by the thermocouple. A Finite Element Analysis of the thermal 
behavior of the design indicated that there was not a significant amount of heat loss into the plates from 
the cup and that the temperature at the bottom of the cup would not exceed the operating temperature of 
the transducer. When researching options for controlling the motor speed, it became clear that the 
single­phase motor that came in the drill press would not suffice. For the final design, a three­phase 
motor with a Variable Speed Drive would be necessary. In an effort to improve safety, an E­Stop system 
was also put into place which would cut power to the drill press if either the lubricant temperature or 
torque exceeded a set limit. 
At the end of the semester the only parts that were still completely missing from the design were 
the Three Phase Motor and VFD Controller. Both of these parts had been ordered, but did not arrive 
before the last milestone. All of the fabrication was completed for the testing set­up in this design; 
however if the customer would like to alter the design in order to perform free rolling tests as well, the 
cup will need to be heat treated in order to keep it from wearing out as the balls rotate. All of the 
physical controls components were in place at the end of the semester and most of the calibration for the 
various components had been completed, but the DAQ was still not programmed to output the data and 
the auto­stop loop was not fully functional. See Appendix at end for early research results, budgets, solid 
models, engineering drawings and fabrication images. 
 
   
APPENDIX A: Early Research and Project Planning 
 
 
Figure I: Gantt Chart Schedule 
 
Table I: Targets from ASTM Standards 
 
ASTM D2266  ASTM D4172  ASTM D5183 
Value  Tolerance  Value  Tolerance  Value  Tolerance 
Force 
Applied 
40 kgf  0.2 kgf  15 kgf  0.2 kgf  40 kgf  Not Given 
392 N  2 N  147 N  2 N  392 N  Not Given 
Lubricant 
Temp 
75 C  2 C  75 C  2 C  75 C  2 C 
167 F  4 F  167 F  4 F  167 F  4 F 
Speed  1200 rpm  60 rpm  1200 rpm  60 rpm  600 rpm  Not Given 
Duration  60 min  1 min  60 min  1 min  60 min  Not Given 
Oil Level  very top of cup  3mm above top of balls  3mm above top of balls 
 
 
 
 
 
Table II: Structures Team Concept Comparison Table 
 
 
 
 
Table III: Fabrication Team Concept Comparison Table 
 
 
 
   
Table IV: Controls Team Concept Comparison Table 
 
 
 
Table V: Concept Comparison Totals
 
 
 
 
 
Figure II: QFD Diagram 
(Next Page) 
 
 
 
 
 
 
APPENDIX B: Overall Design Solid Models 
 
 
Figure I: Initial Concept Solid Model 
    
            Figure II: Second Concept Solid Model  Figure II: Second Concept Cup/Collet Set­Up 
 
Figure IV: Final Design Solid Model 
APPENDIX C: Collet Assembly Progression 
 
 
 
Figure I: Initial Collet Design 
 
 
 
Figure II: Initial Collet Design ­ Exploded View 
 
 
          Figure III: Second Collet Design Model                     Figure IV: Second Collet Design ­ Exploded View 
 
Figure V: Second Collet Design Parts Detail Drawing 
 
 
Figure VI: Final Collet Design Figure VII: Final Collet Design 
Total Deformation FEA Results Equivalent Stress FEA Results 
 
 
 
Figures VIII ­ X: Final Collet Design ­ Fabrication Images 
 
 
Figure XI: Final Collet Design ­ Stopper Detail Drawing 
 
 
 
Figure XII: Final Collet Design ­ Chuck Detail Drawing 
 
 
 
 
 
   
APPENDIX D: Cup Design Progression 
 
 
Figure I: Initial Cup Design Model 
 
 
              Figure II: Initial Cup Design           Figure III: Initial Cup Design 
      Free Rolling Ball Insert       Fixed Ball Insert  
 
 
Figure IV: Second Cup Design Model (Full Plate Assembly) 
 
 
Figure V: Second Cup Design Mid­Plane View 
 
Figure VI: Second Cup Design ­ Cup Detail Drawing 
 
 
Figure VII: Second Cup Design ­ Cap Detail Drawing 
 
Figure VIII: Second Cup Design Fabrication Image 
 
 
Figure IX: Second Cup Design Fabrication Image (Disassembled) 
 
 
 
 
 
Figure X: Final Cup Design ­ Cap Detail Drawing 
 
 
Figure XI: Final Cup Design ­ Retainer Detail Drawing 
 
Figure XII: Final Cup Design ­ Cup Detail Drawing 
 
 
Figure XIII: Final Cup Design ­ Centering Plate Detail Drawing 
 
 
Figure XIV: Final Cup Design ­ Thermal FEA Results 
 
Table I: Final Cup Design ­ Thermal FEA Mesh/Element Details 
 
 
 
Figure XV: Final Cup Design ­ Full Assembly Side View 
 
 
Figure XVI: Final Cup Design ­ View Into Cup from Top 
 
   
APPENDIX E: Pneumatic Cylinder Set­Up Information 
 
 
Figure I: Pneumatic Cylinder Set­Up Model 
 
 
Figure II: Pneumatic Cylinder Set­Up 2D Dimensions Drawing 
 
 
 
 
Table I: Pneumatic Cylinder Calculation Results for Various Scenarios 
 
 
 
 
Table II: Pneumatic Cylinder Details 
 
 
 
 
Figure III: Pneumatic Cylinder Set­Up Image 
 
 
 
Figure IV: Pneumatic Cylinder Air Filter and Regulator Set­Up Image 
 
 
 
APPENDIX F: Controls Team Diagrams 
 
 
 
 
Figure I: Instrumentation Block Diagram 
 
 
 
   
 
Figure II: Force/Torque Controls Diagram 
 
 
 
Figure III: Temperature Controls Diagram 
 
 
 
Figure IV: Power Supply Controls Diagram 
 
 
 
 
   
APPENDIX G: Budgets 
 
Table I: Second Design Fabrication Budget 
 
 
Table II: Second Design Pneumatic Cylinder Set­Up Budget 
 
 
Table III: Second Design Controls System Budget
 
 
Table IV: Second Design Total Budget 
 
 
 
   
Tables V­X: Final Design Budget Tables (Broken Up by Component) 
 
 
 
          
      

More Related Content

Featured

How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthThinkNow
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfmarketingartwork
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024Neil Kimberley
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)contently
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024Albert Qian
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsKurio // The Social Media Age(ncy)
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Search Engine Journal
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summarySpeakerHub
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Tessa Mero
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentLily Ray
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best PracticesVit Horky
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementMindGenius
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...RachelPearson36
 
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...Applitools
 
12 Ways to Increase Your Influence at Work
12 Ways to Increase Your Influence at Work12 Ways to Increase Your Influence at Work
12 Ways to Increase Your Influence at WorkGetSmarter
 

Featured (20)

How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
 
Skeleton Culture Code
Skeleton Culture CodeSkeleton Culture Code
Skeleton Culture Code
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
 
How to have difficult conversations
How to have difficult conversations How to have difficult conversations
How to have difficult conversations
 
Introduction to Data Science
Introduction to Data ScienceIntroduction to Data Science
Introduction to Data Science
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best Practices
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project management
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
 
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...
Unlocking the Power of ChatGPT and AI in Testing - A Real-World Look, present...
 
12 Ways to Increase Your Influence at Work
12 Ways to Increase Your Influence at Work12 Ways to Increase Your Influence at Work
12 Ways to Increase Your Influence at Work
 
ChatGPT webinar slides
ChatGPT webinar slidesChatGPT webinar slides
ChatGPT webinar slides
 

FinalReport