Viktoptimering av ram för SSF-koncept. Daniel Granquist Olof Karlsson

Transkript

1 Viktoptimering av ram för SSF-koncept Daniel Granquist Olof Karlsson MF2011 Systemkonstruktion Skolan för Industriell Teknik och Management Kursansvarig: Ulf Sellgren Mars 2009

2 Sammanfattning Denna rapport bygger vidare på den rapport och det arbete som gjordes för framtagning av ett ramkoncept i kursen Systemkonstruktion, MF2011, där rimligheten av ett skotarkoncept, Super Single Forwarder, undersöktes. Där tog man fram en ram som överskred målvikten på 2000 kg med 800 kg. Denna rapport handlar om viktoptimeringen av den för tunga ramen och undersökningen av rimlig målvikt för densamma. Vid framtagningsarbetet har ingen hänsyn till tillverkningsmöjligheter tagits. Ganska snart visade det sig att en hel del kunde göras om man utgick från de hållfasthetsanalyser som tidigare hade gjorts för ramen. Godstjocklek på ramen och hyttfästet minskades, lätthål fördes in där inga höga spänningar fanns, material utan funktion togs bort samt att motorupphängningen helt konstruerades om. Slutligen, efter att med FEM ha analyserat alla modifikationer för att verifiera att de hade tillräcklig hållfasthet, hade ramen reducerats till en vikt på 1650 kg. 1

3 Inledning Som en direkt och naturlig fortsättning på arbetet med den ram som togs fram för skotarkonceptet Super Single Forwarder i kursen Systemkonstruktion, MF2011, ska en viktoptimering av denna ram göras. Viktoptimeringen syftar inte i första hand till att ta bort så mycket vikt som möjligt, med optimering av varje enskild del, utan mer till att komma fram till vad som kan vara en rimlig målvikt för en ram till SSF-konceptet. Vid viktoptimeringen har ingen hänsyn tagits till tillverkningsmöjligheter. Syfte Syftet med viktoptimeringen är att ta få ner vikten genom enklare viktreduceringar av ramen. Vikten som då ges bör vara ett rimligt riktvärde för utveckling av en mer detaljerad ram. Målet med optimeringen har först och främst varit att reducera vikten från de 2800 kg som den tidigare ramen vägde till 2000 kg. Om det första målet går att uppfylla och tid ges ska ytterligare förändringar ske för att se vart en rimlig målvikt kan hamna. Förändringar De förändringar som gjorts på ramen har skett utan interfaceändringar gentemot övriga komponenter som samverkar med ramen. Syftet med samtliga förändringar är att ta bort onödigt material som inte behövs för att nå tänkt hållfasthet eller styvhet. Nedan följer en förklaring av de ändrade partierna. Dumperfästen Då dumpermodulen egentligen inte ingick i kravspecifikationen för konceptet har de dumperfästen som konstruerats tagits bort. De dumperfästen som satt på vägde runt 280 kg men kan rimligtvis optimeras till 200 kg om ett krav på dumpermodul skulle komma att ställas på en framtida konstruktion. Centrumbalkens godstjocklek Vad som noterades från föregående analys av ramen var att den i böjning i vertikalled var dimensionerad rätt. Böjstyvheten i horisontalled var däremot mycket större än den rimligen behöver vara, trots ett antal lätthål i övre och undre del av balken. Godstjockleken har därför reducerats från 15 mm till 10 mm för över- och undersidan av centrumbalken. Sidorna på centrumbalken är oförändrade med en godstjocklek om 15 mm. Förstärkningen för att klara av momentbelastningen från kranen minskades från det väldigt grova tvärsnitt som tidigare dimensionerats till det tvärsnitt som visas i Figur 1 med stor viktbesparing. 2

4 Figur 1. Förstärkning i form av ett rör under kranen. Röret som är mycket bra på att ta upp vridande krafter avlastar det rektangulära tvärsnittet där belastningen är som värst. Hyttupphängning Godstjockleken på de skivor som tar upp last i längsgående riktning relativt skotarens minskats i tjocklek till 10 mm. Den längsgående belastningen anses vara mindre vid det värsta fallet när skotaren ska kunna rulla över hytten. Av anledningen att skotaren ska kunna rulla över hytten har de tvärgående plattorna oförändrad godstjocklek, endast ett lätthål har införts. Den nya hyttupphängningen visas i Figur 2. Figur 2. Förändrad hyttupphängning med lätthål i de tjockleksmässigt oförändrade skivorna 3

5 Motorupphängning Motorupphängningen var den del av ramen som var klart mest överdimensionerad. Konceptet för motorupphängning gjordes om till att mestadels inkludera de funktionsytor som behövdes för motorn och hydraulpumpens fästen gentemot ramen. Lättningen av motorupphängningen har stor del i den totala lättningen av ramen. A i Figur 3 visar förbränningsmotorns plats medan B visar platsen för hydraulpumpen. Motorupphängningens storlek är inte proportionerlig mot belastningarna för varje respektive balk vilket gör att ett stort antal lätthål kan införas. B A Figur 3. Den totalt omkonstruerade motorupphängningen. A visar platsen för förbränningsmotorn medan B visar platsen för hydraulpumpen. Hjulupphängningsfästen Genom att ta bort onödigt material utanför de yttre fästena till hjulupphängningen samt att utöka antalet lätthål för lågt belastade delar reducerades vikten av dessa tvärbalkar märkbart. Försök gjordes även att minska godstjockleken från gällande 15 mm till 10 mm, dock med mycket dåligt resultat i form av höga spänningar, se avsnitt om FEM- verifiering nedan. I Figur 4 visas bakre hjulupphängningsfästet. För att se främre hjulupphängningsfästet hänvisas till Figur 3 i föregående avsnitt. 4

6 Figur 4. Bakre hjulupphängningsfästet. Extra lätthål har tagits upp i ovansidan respektive undersidan samt på framsidan. FEM- verifiering av den modifierade ramen och dess fästen För att undersöka att den modifierade ramen, med de lättningsåtgärder som utförts, inte utsätts för orimliga spänningar och deformationer har dessa beräknats i FEM- programmet ANSYS De lastfall som används för den nya ramen är desamma som användes vid analysen av den äldre ramen. Nedan presenteras de spänningar som erhölls vid analysen med den tidigare ramen samt med den viktoptimerade. Ramverifiering För den generella ramen finns ett antal generella lastfall. Nedan behandlas dessa belastningsfall ett i taget för att utröna hur basen till ramen klarar av belastningarna. Vidare undersöks fästena för de olika komponenterna på skotaren. Slutligen kommer en analys av ramen att göras då samtliga laster belastar ramen. Ramverifiering vid maximalt lastad kran Vid verifiering av ramen då både lastområdet och kranen är maxlastade antas ett vridande moment vid kraninfästningen på 359 knm som uppkommer vid 2,8 tons last (både kranen och lastens vikt antas ligga längst ut) 8,5 meter rakt ut från sidan med en säkerhetsfaktor på 1,5. Dessutom belastas kraninfästningen med kranens och lastens tyngd med en säkerhetsfaktor 2. Lastområdet lastas med 14 ton med en säkerhetsfaktor på 1,5 vid maximal belastning och det antas att skotaren står på alla fyra hjul. Lastfallet visas i Figur 5. Det som skiljer i simuleringen mellan de båda ramarna är att fästet för hjulupphängningens dämpning har tagits med för den nyare ramen. Denna har även getts en cylindrical support vilket medför att ramen även bärs upp i dessa fästen. Dessa illustreras senare i Figur 13 då ramen utsätts för maximal belastning. 5

7 Figur 5. Lastfall vid maximalt belastad kran. I bilden illustreras den äldre ramen vilket främst åskådliggörs då dämpningsfästena till hjulupphängningens inte är medtagna. Resultatet av analysen av den nya ramen presenteras i Figur 6 och i Figur 7 presenteras de delar av både den nya och den äldre ramen som utsätts för spänningar som överstiger 200 MPa. Figur 6. Spänningarna som uppstår i ramen för kranlastfallet Figur 7. De spänningar som överstiger 200 MPa för den nya respektive gamla ramen 6

8 Som Figur 6 visar uppstår inte några högre spänningar i den nya balken vid detta lastfall som visade sig vara det kritiska då man analyserade den förra balken. Reduceringen av vikten i tvärsnittet som försåg balken med dess vridstyvhet verkar inte ha åstadkommit några kritiska spänningar utan tendensen är snarare att ramen kan lättas ytterligare i detta parti. Dessutom verkar inte förändringen av godstjockleken på ramens över- respektive underdel ha försämrat hållfastheten. Dock visar Figur 7 att lokala spänningskoncentrationer, som uppnår 394 MPa, uppstår vid fästet för hjulupphängningens dämpning. Dessa fanns inte med hos den äldre ramen men man hade säkerligen fått samma typ utav spänningskoncentration om de hade tagits med. Det som dock var av intresse var att ramen klarade att ta upp detta stora moment från kranen utan att några högre spänningar uppstod. Vidare undersöktes hur ramen klarar en fullastad kran riktad rakt bakåt på skotaren. I Figur 8 presenteras resultatet av denna undersökning med de effektivspänningar som överstiger 200 MPa. Som figuren visar klarar ramen av de krafter som uppstår och endast lokalt vid några lätthål uppstår spänningar som överstiger 200 MPa vilket kan motivera till omkonstruktion eller borttagning av dessa. Figur 8. De spänningar som överstiger 200 MPa i ramen vid lastfall nummer två för kranen Verifiering av fästen Hyttens upphängning Det lastfall som användes vid analysen av hyttens fäste var en vikt på 1 ton med en säkerhetsfaktor på 1,5 samt en inbromsning på ett g. Hyttfästet antogs sitta stelt fast på ramen och modellerades därför som fixed support i analysen. Lastfallet visas i Figur 9 med det äldre fästet. 7

9 Figur 9. Hyttens fäste på ramen Resultatet av analysen för det äldre hyttfästet visade på att spänningarna var väldigt låga och minst belastat var kortsidorna på fästet. Därför minskades godstjockleken på långsidorna av fästet och lätthål gjordes på kortsidorna och resultatet illustreras i Figur 10. Som figuren visar ligger spänningarna fortfarande väldigt lågt, maximal spänningar på 42 MPa, och man kan säkerligen lyfta bort ännu mer vikt. Dock ger detta inget större resultat för ramen som helhet med avseende på vikten. Figur 10. Hyttfästet har viktreducerats med två lätthål Motorns upphängning Även för detta lastfall antogs en säkerhetsfaktor mot tyngden på 1,5, en inbromsning på ett g och att motorns upphängning sitter fast på en stel ram. Då motorupphängningen modifierats ganska så drastiskt, då det ansågs onödigt att den skulle väga 500 kg, har motorns och 8

10 pumpens vikt förts in i modellen separat vilket illustreras senare i totallastfallet. Motorn har getts en vikt på 1200 kg och pumpen 350 kg. Resultatet av de spänningar som uppstår i motorupphängningen presenteras i Figur 11. Figur 11. De uppkomna spänningarna i den drastiskt modifierade motorupphängningen Som synes blev spänningarna låga och endast lokalt uppstod spänningar över 200 MPa, ses längst till höger på hjulupphängningens fäste. Som figuren även visar är spänningen generellt låg i motorupphängningen och högre spänningar uppstår vid lätthålen samt skarpa kanter. Maxbroms med endast framhjul För att testa hur en minskning av godstjockleken från den beprövade tjockleken 15 mm till 10 mm gjordes det mest belastande testet, att bromsa hela skotaren med enbart framhjulen i ett g. Resultatet visar ett 15 mm godstjocklek är det klart bästa valet av de båda. Resultaten från försöket med 10 mm visas nedan i Figur 12. Högsta spänningarna uppgår till 900 MPa, vilket visar att dimensioneringen är för klen. Figur 12. Tvärbromstest med 10 mm godstjocklek i hjulupphängningsfästets balk. Spänningarna uppgår lokalt till 900 MPa och på många ställer över 300 MPa. 9

11 Maxtest av ramen För att slutligen verifiera att ramen håller då den utsätts för samtliga belastningar har ett maxtest gjorts. Figur 13 visar lastfallets som har antagits och det är summan av alla de lastfall som har använts ovan vid verifiering av de olika fästena. För detta ramfall antas att skotaren står på två hjul. Dock antas inte att kranen är i utfälld position. I figuren visas även hur motorns vikt och pumpens vikt förs in separat på motorupphängningen. Figur 13. Lastfallet vid maxtest av ramen De då uppkomna spänningarna kan ses i Figur 14. Återigen fås spänningskoncentrationer vid fästet mellan motorupphängningen och hjulupphängningens fäste. Dock är dessa ganska begränsade, maximalt 267 MPa, och som man kan se i resterande del av ramen är spänningarna låga, under 100 MPa. Figur 10. Spänningarna i ramen vid maxtest 10

12 Inga deformationer togs med ovan då dessa inte skiljde sig nämndvärt från den tidigare ramen eller var så pass små att de inte påverkade ramens funktion och var funktionskritiska. Diskussion Starkare stål kan medge ytterligare klenare dimensionering. Annan typ av hjulupphängning kan reducera vikten då tvärbalkarna kan tas bort och eventuellt ersättas av enklare och mindre fästen. Möjlighet till bredare ram under kranen skulle ge en lättare förstärkning för att klara av momentbelastningarna. För att ytterligare kunna optimera vikten bör bättre lastfall tas fram och en mer noggrann analys utföras av ramen. Dock ger analysen en bra indikation vilka dimensioner ramen kan tänkas ha. Slutsats Slutlig ramvikt och därmed rimlig målvikt för mer detaljerad ram är knappt 1650 kg 11