Vibrationsdämpning av skotare

Transkript

1 ARBETSRAPPORT FRÅN SKOGFORSK NR ADAMS-modell av ofjädrad Valme 86 och bana. ADAMS-modell av XT28 och bana. Jaoquin Baes Uppsala Science Park, SE UPPSALA, Sweden Ph Fax hp://

2 Ämnesord: Akiv dämpning, dämpning av skoare, passiv dämpning, semiakiv, simulering av skoare. SKOGFORSK Sifelsen skogsbrukes forskningsinsiu Skogforsk skall illföra svensk skogsbruk illämpbara kunskaper, jänser och produker som bidrar ill e lönsam, hållbar bruk av skogen, så a näringens konkurrenskraf särks och vikiga samhällsmål uppnås. Bakom Skogforsk sår skogsföreagen, skogsägareföreningarna, sifen, gods, skogsmaskinföreagare, allmänningar m.fl. som bealar årliga inressenbidrag. Hela skogsbruke bidrar dessuom ill finansieringen genom en avgif på virke som avverkas i Sverige. Verksamheen finansieras vidare av saen enlig särskil aval och av fonder som ger projekbunde söd. FORSKNING OCH UTVECKLING Två forskningsområden: Skogsprodukion Virkesförsörjning UPPDRAG Vi uför i sor omfaning uppdrag å skogsföreag, maskinillverkare och myndigheer. De kan gälla uredningar eller anpassning av uarbeade meoder och ruiner. KUNSKAPSFÖRMEDLING För en effekiv spridning av resulaen används flera olika kanaler: personliga konaker, webb och inerakiva verkyg, konferenser, media sam egen förlagsverksamhe med produkion av rycksaker och filmer. ISSN X

3 Absrac Forwarders are vehicles used for ranspor of lumber over very rough errain. The increased effeciveness of he harveser, which can nowadays chop, rim and pu he logs in heaps wihin 47 seconds each ree, has conribued o an increased produciviy and o a need of higher velociy of ranspor. New coming EU direcives make damping of vibraions o a problem of grea ineres. The work in his hesis involves he evaluaion of wo forwarders wih differen ypes of suspension who were simulaed in ADAMS/View sofware wih he aim of improving he ride comfor and aiude changes. One ask was o build a passive suspension o one of he models, Valme 86, wihou any suspension and wih bogie arms beween axle and wheels. The second forwarder, XT28, was modelled from scrach. The pars were impored from a CADmodel ha was buil in Pro Engineer. This forwarder has swinging arms beween he ires and chassis and has a passive suspension. Boh models were evaluaed and compared o each oher. An acive sysem for he suspensions was designed and implemened o he models. This was made wih Simulink/Malab and ADAMS/View in ineracive mode. The selecion of spring and damping consans in passive suspensions wih linear characerisics is always a compromise beween sabiliy and comfor. The choice was eiher o use sofer springs ha give lower level of vibraion bu large deflecion in roll- and pich angles or siffer springs ha gives higher level of vibraion bu lower deflecion in roll and pich. The passive suspension on Valme 86 reduced he vibraions in he cabin wih: 16 % in laeral direcion and 38 % in verical direcion bu wih a lile bi higher ampliudes in rolland pich angles. The resuls from he simulaions wih he acive sysem on Valme 86 reduced he acceleraion levels wih 26 % in laeral direcion and 74 % in verical direcion and decreased he ampliude of roll angle from 5,5 o,3. The sysem showed o work a he bes on XT28 where he decremen of acceleraions in all direcions succeeded and very good resuls were obained. Compared o XT28 wih passive suspension he acceleraions inside he cabin decreased a leas wih 82 % in laeral direcion and 89 % in verical direcion. Even he reducion in roll and pich angle was successful and he larges ampliude had a value of, 3. 1

4 Förord I den här rapporen redogörs mi examensarbee uförd vid insiuionen för fordonsdynamik på KTH, Kungliga Tekniska Högskolan i Sockholm, Sverige. De avsluar min civilingenjörsubildning i farkoseknik med inrikning mo fordonseknik. Arbee mosvarar 2 högskolepoäng eller 3 ESTC-poäng och är e samarbee mellan Skogforsk och Komasu Fores AB. Till de som direk eller indirek vari inblandade i examensarbees genomförande vill jag framföra e varm ack för all hjälp, söd och rådgivning. Förs och främs min handledare, Björn Löfgren, vill jag acka för den prakiska hjälpen vid svårigheer och framförall för uppmunran och söd. Jag skulle också vilja acka Lars Drugge, examinaor ill examensarbee, som bidrog bl.a. ill a arbee gick smidig ill med sin erfarenhe i ADAMS och Simulink. Tack också ill dokorand Adam Rehnberg för sin enusiasm och medverkan vid problem som uppsod kring ADAMS-modellerna. Dessuom vill jag acka Rolf Volungholen för viker och annan vikig informaion ill skoare XT28. Sis men ine mins vill jag acka min familj och bekana för all söd och moivaion. Sockholm i december 28 Joaquin Bae 2

5 Innehåll Absrac... 1 Förord... 2 Sammanfaning... 5 Inledning... 6 Föreagspresenaion... 6 Bakgrund... 6 Nulägesanalys... 7 Problembeskrivning... 7 Syfe... 8 Mål... 8 Avgränsningar... 8 Meoder... 8 Vibraionsexponering... 8 Signalbehandling av vibraionsförlopp... 1 Modellerings-/Simuleringsverkyg ADAMS/View Simulink/Malab ADAMS/View grundmodeller Valme XT Däcksmodell Fiala Däcksdaa Tesbana Ugångspunk för mäningar Mäning i fäl Alernaiva Fjädringssysem med nivåreglering... 2 Semiakiv fjädring... 2 Akiv fjädring Kvars- och halvfordonsmodellen Modellbeskrivning Noaion Ekvaioner för modell av halv fordon Simulinkmodell Akiv sysem med AFC Modellering av akuaor Reglersraegi Genomförande Modifiering av Valme Upphängning av axel Fallsudie Beräkning av egenfrekvenserna Val av fjäderkonsaner... 3 Implemenering av akiv sysem Akiv fjädringssysem i halvfordonsmodell Implemenering av e akiv sysem i ADAMS

6 Resula Implemenering av modeller i ADAMS Jämförelse verklighe och simulering V ssysem Valme Valme 86 med fri roaion i midjeled Lås vridmidja i jämförelse med fri Akiv fjädringssysem Valme Hasigheen Acceleraionsnivåerna i hyen Frekvensanalys av acceleraionerna Roll- och nickrörelsen Akuaorkraferna Akiv fjädringssysem XT Hasigheen Acceleraionsnivåerna i hyen Frekvensanalys av acceleraionerna... 5 Roll- och nickrörelsen Akuaorkraferna Diskussion och slusaser Forsa arbee Referenser Bilaga 1. Simulinkmodeller Bilaga 2. Akiv fjädring Valme Bilaga 3. Akiv fjädring XT

7 Sammanfaning Skoaren är e fordon som används för a fraka virke i mycke ojämn erräng. Den ökade effekivieen hos skördaren, som i dag kapar, kvisar och placerar sockarna i högar på ca 47 sekunder per räd, har bidragi ill en ökad produkivie och därmed krav på ökade ransporhasigheer för skoarna för a kunna hålla jämn ak med skördaren. Nya kommande EU-direkiv gör a dämpning av vibraioner som förarna usäs för är av sor inresse. De här examensarbee analyserar vå yper av skoare med olika fjädringsprinciper som har simuleras i programme ADAMS/View med syfe a minimera helkroppsvibraioner och posiionsändringar i chassie. E delmomen var a a modellera en passiv fjädring ill en av skoarna, Valme 86, uan fjädring och med boggiarmar mellan axel och hjul. E anna delmomen var a skapa en skoare, XT28, genom a delarna imporerades från en CAD-modell som idigare skapas i Pro Engineer. Hjulupphängningen på XT28 besår av pendelarmar och har passiv fjädring med linjära fjädrar och dämpare. E akiv fjädringssysem modellerades och implemenerades i båda modellerna sam simulerades inerakiv med Simulink/Malab och ADAMS/View. Vale av fjäder- och dämparkonsaner i passiva fjädringar med linjär karakärisik är en sändig kompromiss mellan sabilie och komfor. Man fick därför välja mellan vekare fjädrar som gav låga vibraioner med sora uslag i roll- och nickvinklar eller syvare fjädrar som gav högre vibraioner men mindre rolloch nickvinklar. Den passiv fjädrade Valme 86 gav en redukion av hyacceleraionerna med: 16 % i laeralled och 38 % i verikalled men en aning högre ampliuder på roll- och nickvinklar. Resulaen från simuleringarna med de akiva syseme för Valme 86 reducerade acceleraionerna med 26 % i laeralled och 74 % i verikalled sam minskade rollvinkelns maximala uslag från 5,5 ill,3. De akiva syseme visade sig fungera bäs med skoare XT28 där acceleraionerna reduceras i samliga rikningar med mycke goda resula. I förhållande ill den passiv fjädrade XT28 minskades hyacceleraionerna med som säms 82 % i laeralled och 89 % i verikalled. Även minskningen av roll- sam nickvinklar var sor då den högs uppvisade vinkeln hade e maximal värde på av,3. 5

8 Inledning FÖRETAGSPRESENTATION Examensarbee är e samarbee mellan skogsmaskinillverkaren Komasu Fores AB, Exracor och Skogforsk. Komasu är e världsledande föreag inom illverkning av gruv-, bygg- och skogsmaskiner och har si huvudsäe i Japan. Komasu Fores AB är en del av de globala föreage Komasu och bedriver föruom illverkning av skogsmaskiner även åerförsäljnings- och serviceulämningsverksamhe via Swelog i Sverige. Komasu Fores AB producerar varje år cirka 8 olika skördar- och skoarmodeller. Skördarens uppgif är a fälla räde och kapa de i lämpliga längder och skoarnas uppgif är a fraka virke från besånde ill avlägge och därifrån frakas virke vidare ill massaindusrin eller sågverk. Exracor AB är e nybilda föreag som är specialiserad inom skogsmaskiner. Föreage finns i Bollnäs, i Hälsingland, där man driver olika innovaiva projek. Föreage uvecklar både skördare och skoare. Bakgrund Skoaren används i dagens moderna skogsbruk för ranspor av virke. Efersom de handlar om laser på 1-2 on som ska ransporeras är skoaren en robus konsrukion. Skogserrängen som skoaren måse färdas i är mycke ojämn och senig. De hinder som skoaren måse klara av a a sig över kan vara kullar, senblock eller andra yper av hinder som i en del fall kan vara över 1 meer höga. De skoare som har uvärderas i examensarbee är Valme 86 och Exracor XT28. Valme 86 saknar fjädring mellan hjul och chassi. Den sela uppbyggnaden i kombinaion med den svåra errängen som skoaren usäs för gör a vibraioner lä ransformeras upp ill hyen där föraren sier. Mellan hy och chassi sier de bussningar som dock endas reducerar moorvibraioner. Under de senase årionden har mycke arbee lags ner på a öka produkivieen framför all på skördarna som numera kan fälla, kapa och kvisa e räd i en följd. A kapa, kvisa och placera sockarna i högar ar i dag ca 47 sekunder per räd. Den ökade produkivieen har bidragi ill e behov av korare ransporider, som i sin ur gör a förarna ökar hasigheen och därmed usäs för ännu högre vibraionsnivåer. Mycke arbee har lags ned på a förbära förarens arbesplas men mycke lie arbee har fokusera på a a bor de vibraioner som föraren usäs för genom a förändra skoarens konsrukion. Mycke arbee har lags ned på a a bor vibraionerna i förarsolen. Dessvärre är ine solarna som finns ue på marknaden anpassade för skogsbruke uan för vägfordon och ibland kan solarna ill och med ha vibraionsförsärkande egenskaper. Enlig EU:s Vibraionsdirekiv måse de vibraioner som förarna usäs för i dag reduceras krafig. I dagsläge överskrider alla skoare de maximala värde för vad en förare får usäas för. De innebär a de finns e sor behov av a hia nya meoder för a a bor de vibraioner som förarna usäs för. 6

9 Nulägesanalys De finns en hel del forskning och uveckling inom vibraionsdämpning av fordon. De handlar dock mes om dämpning mellan hjul och chassi på bilar. I de här falle, e errängfordon, kräver sörre fjäderförskjuningar i hjulupphängningen än hos e vägfordon. E lämplig fjädringssysem är då e hydraulisk sysem eller e fjädringssysem med hydropneumaiska dämpare. De sisnämnda används mycke inom försvarsindusrin i unga miliära fordon. Nämnda yper av fjäderelemen har olinjär karakärisik och höjer kapacieen för komfor och sabilie. I [1] undersöks jus e miliär fordon med hydropneumaiska dämpare som även esas med välkända sraegier för semiakiv dämpning som Skyhook och Rakheja-Sankar. Med semiakiv dämpning menas a dämparnas syvheer varieras efer yre påverkan på fordone. Ofas varieras dämparna med areasrypning som ine kräver speciell mycke energi. Variabla dämpare gör a lägre fjädrings- och dämpningssyvheer kan användas och när de behövs ökar dämpningssyvheen. E semiakiv sysem kan förbära komforen och/eller köregenskaperna avsevär om rä reglersraegi används. Föruom Skyhook och Rakheja-Sankar finns en mängd andra sraegier för semiakiva sysem och några av dem as upp i [2] och [3]. De finns också en hel del gjor inom akiva fjädringssysem. Arikel [4] ar upp en sraegi som både reglerar chassies posiion och reducerar vibraionerna på e fordon genom a konrollera krafen som kommer u från akuaorn. En annan reglersraegi som de har forskas mycke kring är med LQ reglering, linjär kvadraisk reglering. En sådan meod as upp i arikel [5]. Denna yp av reglering kräver kännedom om fordones dynamik. De finns andra sä a minska vibraionerna på i errängfordon som ine behöver göras i själva fjädringen mellan chassi och hjul. Under idig 199-al genomfördes försök med en akiv fjädrad hyupphängning på en skoare av modell Valme 892, [6]. De resulerade i en minskning av vibraionsnivåerna med 5 6 % och de var framför all rörelsen i sidled och roll som dämpades. Ampliuderna reducerades från 1 m ill,5 m i sidled och från 25º ill 2º i roll. Dagens krav på redukion av vibraionerna och ökad ransporhasighe gör a e alernaiv med fjädring mellan chassi och hjul var lämplig a uvärdera i dea examensarbee. PROBLEMBESKRIVNING I dag är Komasu:s skoare Valme 86 hel ofjädrad och besår av vå par, e par i framramen och e par i bakramen, individuell agerande boggiarmar med roaion relaiv drivaxeln, som är sammanfogad med ramen. Den ofjädrade konsrukionen medför a de vibraioner som alsras lä kan ransformeras genom chassie och upp i hyen, vilke medför a föraren usäs för all för höga doser av helkroppsvibraioner. De vibraioner som ska dämpas u har låga frekvenser och ligger mellan 1 3 H. De fanns därför inresse av a uvärdera Valme 86 med fjädring mellan däck och chassi sam a jämföra modellen med en pendelarmsskoare XT28. Pendelarmarna sier i längsgående rikning mellan hjul och chassi och hjulupphängningen påminner om en sridsvagns. 7

10 Syfe Syfe var a uvärdera om vibraionerna på skoare kan reduceras genom a införa dämpning mellan skoarens chassi och däck sam hur sor del av vibraionerna som kan as bor. Syfe var också uvärdera om man med hjälp av moderna simuleringsverkyg kan uvärdera en skoare ur vibraionssynpunk. MÅL Måle med examensarbee var a dämpa vibraionerna på e sä som ine bara löser dagens problem uan även ger grund ill en illämpningsbar modell med sörre dämpningsmöjligheer inför kommande vibraionsdirekiv. Förare av skoare ska få en bäre arbesmiljö och han/hon ska kunna fullfölja en hel arbesdag uan a riskera hälsan. AVGRÄNSNINGAR Moorns vibraioner kommer ine a beakas då dessa ine är lågfrekvena, d.v.s. resulaen kommer ine a innefaa acceleraionsnivåer på grund av moorn. Meoder I de här avsnie beskrivs vilka meoder som har använs i examensarbee. Försa delmomene ar upp vibraioner och hur de ska behandlas och sammansällas. Vidare preseneras mjukvaran som har använs för simulering och modellering. Därefer kommer en lie mer ingående beskrivning av skoarmodellerna, däcksmodellen och banan. Sis beskrivs e akiv sysem för fjädring som införs i modellerna. VIBRATIONSEXPONERING De är i dag kän a exponering av helkroppsvibraioner ger upphov ill e anal negaiva effeker så som röhe och nedsa presaionsförmåga. Under längre perioder eller höga doser kan de även ge hälsoproblem så som fysisk belasning på leder, muskelfäsen och diskarna i kopelaren. Figur 1 visar en människa i siande sällning med koordinasysem och illhörande frihesgrader. Figur 1. Koordinasysem för siande människa. 8

11 I arbesmiljöverkes föreskrifer om vibraioner, [7] behandlas minimikraven för arbesagarens hälsa och säkerhe vid exponering för risker som har samband med vibraioner i arbee. De bygger på europaparlamenes och rådes direkiv 22/44/EG [8], som är de 16:e särdirekive enlig arikel 16.1 i rådes direkiv 89/391/EEG. Här preseneras bland anna insasvärden och gränsvärden för exponering av hand-, arm- och helkroppsvibraioner. Värdena anger den dagliga exponeringen för en åaimmars period i den mes usaa rikningen av x, y och enlig ISO-sandard [9]. För helkroppsvibraioner är insasvärde,5 m/s 2 och gränsvärde 1,1 m/s 2 frekvensvägd acceleraion. Om e insasvärde överräds måse arbesgivaren göra en uredning sam vida ekniska och/eller organisaoriska ågärder för a minska riskerna ill följd av vibraionsexponeringen. A överskrida gränsvärde får däremo under inga omsändigheer inräffa. I [7] framgår också arbesgivarens skyldigheer a undersöka, bedöma sam informera om riskerna som kan uppså vid exponering av vibraioner. Efersom den fysiska påverkan från vibraioner på människan är olika beroende på vilke frekvensområde de befinner sig i så anges acceleraionerna ofa i vägda värdena w. De innebär a varje okavband illdelas en egen vägningsfakor W i, som mulipliceras med illhörande acceleraion a i enlig ekvaion (1). ( W a ) 2 a = (1) w i i I figur 2 visas vägningskurvor som anger hur vägningsfakorn beror av frekvensen för säesvibraioner. W k är vägningsfakorn för verikala acceleraioner (led), W d för longiudinella acceleraioner (x-led) och W f för laerala acceleraioner (y-led). 1 Vägningsfakor 1-1 W k W d W f Frekvens [H] Figur 2 Vägningskurvor i lågfrekvensområde från ISO

12 I abell 1 anges gränser och inervall för avvägda verikala acceleraioner uppdelade i upplevelsenivåer för människan. För a de ska kännas behaglig a sia i e fordon ska nivåerna hels ine översiga gränsen,315 m/s 2. All anna däröver kommer mer eller mindre a kännas på någo sä. Tabell 1. Människans upplever för olika acceleraionsnivåer. Människans upplevelse Gränser Komforabel <,315 En aning komforabel,315,63 Ganska obekväm,5 1, Obekväm,8 1,6 Väldig obekväm 1,25 2,5 Exrem obekväm >2, I [9] framgår vå vanlig använda beräkningsmeoder för a få fram e värde på acceleraionsnivån under e give idsinervall. De ena är de frekvensvägda RMS-värde (Roo Mean Square) a w, ekvaion (2) och den andra är VDV (Vibraion Dose Value), ekvaion (3). a w = 1 T T a 2 w ( ) d (2) 1 4 T 4 VDV = [ aw ( ) ] d (3) De oala acceleraionsvärde a v, ekvaion (4), erhålls ur vekorsumman av de frekvensvägda RMS-värdena för samliga rikningar x, y och. Varje acceleraionsvärde mulipliceras med e k-värde som är olika beroende om man sier, sår eller ligger. I skoarna är de siande sällning som gäller och k x = k y = 1,4 och k =1. v ( 1,4 aw, x ) + (1,4 aw, y ) aw, x a = + (4) SIGNALBEHANDLING AV VIBRATIONSFÖRLOPP För a kunna avgöra med vilken frekvens som skoaren vibrera med fordras mer avancerade meoder. Fourierransformaion, vars allmänna uryck anges av ekvaion (5), är grunden ill de vanligase meoderna för frekvensanalyser. Ekvaion (6) anger den idsdiskrea versionen DFT eller Discree Fourier Transform där N är anale samplingspunker av signalen f(). iω = f ( e d f ˆ ( ω ) ) (5) N 1 n = 2πkn i N fˆ [ k ] = f [ n ] e, k =, 1, 2,, N-1 (6) 1

13 Syfe med en Fourieranalys är a överföra en godycklig vibraionssignal från idsplane ill frekvensplane genom a dela in signalen i dess ampliuder och frekvenskomponener. E sä är a dela upp signalen i samliga frekvenskomponener. Denna meod kallas FFT-analys och sår för Fas Fourier Transform. Meoden är lämpligas a använda ill koninuerliga sinusliknande signaler eller om man bara vill ha en kvaliaiv bedömning av vilka frekvenser som dominerar signalen. Om en koninuerlig sinussignal analyseras med FFT så mosvarar oppens värde i frekvensdiagramme signalens RMS-nivå. Signalerna från acceleraionsförloppen blir därför väldig spreiga med denna meod. PSD sår för Power Specral Densiy och används ill brusliknande signaler vars egenskaper ine ändras nämnvär under analysperioden. Arean under PSD-kurvan mellan vå frekvenser mosvarar signalens effek i samma frekvensinervall. Denna meod är e bäre alernaiv för analys av acceleraionssignaler då kurvorna blir släare. De ger då bäre möjligheer a se i vilke frekvensområde som försärkning eller dämpning uppräder. Därför har PSD-meoden använs i examensarbee. MODELLERINGS-/SIMULERINGSVERKTYG ADAMS/View Skoarna har skapas och uvecklas i modellerings- och simuleringsprogramme ADAMS, som har agis fram av MSC Sofware. En vikig sak a känna ill när de gäller simulering är a idssege, vid inegrering, man använder sig av kan påverka resulae. Ju fler idsseg deso noggrannare resula och man undviker också a resulakurvorna får e hackigare useende. Simuleringarna har uförs med mellan 25 och 1 idsseg per sekund. Fler seg ger allså noggrannare svar men däremo lie längre simuleringsider. Simulink/Malab Simulink/Malab har förs och främs används för modellering och simulering av reglersyseme ill de akiva fjädringssyseme, som simuleras inerakiv med ADAMS -modellen. Simuleringen med syseme körs i diskre form och med inegraorn ODE45. 11

14 ADAMS/VIEW GRUNDMODELLER Valme 86 Figur 3. ADAMS-modell av ofjädrad Valme 86 och bana. Grundmodellen har gjors i e idigare examensarbee vid Luleå Tekniska Universie [1]. Modellen bygger på en åahjulsdriven skoare av yp Valme 86 med en olasad vik på kg och en las på 14 kg. Skoaren har e chassi som besår av vå delar: en framram och en bakram. Delarna är kopplade ill varandra via midjeleden eller vridmidjan där en verikal roaionsled illåer svängning och en horisonell roaionsled i x-led illåer ramarna a roera i rollplane i förhållande ill varandra. De innebär a skoarens roaion i roll för fram- och bakdel måse behandlas separa. Vridmidjan är placerad lägre i förhållande ill fram- och bakdelens yngdpunker, som har sina yngdpunkslägen ganska hög. De innebär a när framramen passerar e hinder så uppsår en pendelrörelse kring rollcenrum, som hamnar ungefär i samma läge som vridmidjan. I abell 2. visas skoarens avsånd för hjulbasen, yngdpunkslägen, viker och röghesmassor för grundmodellen av Valme 86 med las. Tabell 2. Fordonsegenskaper för lasad ofjädrad Valme 86. Sorhe Värde Enhe Massa m 28 3 kg Tröghesmomen roll Jxx 5 7 kgm 2 Tröghesmomen nick Jyy 24 3 kgm 2 Tröghesmomen gir J 21 3 kgm 2 Hjulbas L 4,97 m Tyngdpunksläge från marken κl 2,2 m Tyngdpunksläge från främre axel λl 3,58 m Hjulen sier på individuella boggiarmar som roerar kring en sel axel som sier fas i fram- respekive bakram. Figur 4 visar chassie på Valme 86 se underifrån. Hjulen sier fas i ändarna på boggiarmarna som i sin ur är sel förenade 12

15 med drivaxlarna på skoaren. Varje boggiarm har en vik på 78 kg och drivaxeln väger 43 kg. E däck med fälg väger 25 kg, vilke ger en sammanlagd vik på 2 on för alla åa hjulen. Däcken ugör den enda dämpningen och har en radie av,67 meer och en bredd på,71 meer. Däcksmodellen som används heer Fiala och beskrivs i avsni Figur 4. Chassi ill ofjädrad Valme 86. Uöver den dämpande verkan från gummidäcken har skoaren fyra gummibussningar mellan hy och framramen. Tabell 3 anger fjädrings- och dämpningsegenskaper ill bussningarna, som har en lien dämpande effek på hyen. Tabell 3. Fjädringsegenskaper för bussningar mellan hy och ram ill Valme 86. x-led y-led -led Enhe Fjädersyvheer kn/m Dämpning kns/m Modellen saknar drivlina och moor ill skillnad mo den verkliga skoaren. I sälle drivs fordone fram med hjälp av en pålagd roaionshasighe i varje hjul. De räcker dock ine för a få skoaren a köra framå på grund av hindren från banan som reducerar hasigheen. För a få modellen a köra över hela banan har e drivande momen lags ill på varje hjul. De förbärar men löser ine probleme hel. Men de möjliggör a skoaren kan hålla en jämnare medelhasighe under simuleringarna. XT28 Modellen XT28 besår av inläsa delar från CAD-filer som ursprungligen illhörde en komple Cad-konsrukion byggd i programvaran Pro Engineer. Filerna imporerades in i ADAMS/View i sep-forma. De inläsa delarna är framram, mienram och kran, bakram, hy, pendelarmar, grindar sam immerlas. I figur 5 kan man se a delarna är väldig dealjrika, vilke medför a ar en hel del grafikkraf från daorn och de ar id för bilden a genereras i ADAMS/View. Moorn, växelpake och den fullankade bensinanken dimensionerades som rekangelformade lådor och fäses var och en med e fix led ill framramen. Massorna ill de mindre delarna som ill exempel kablage eller hjulmoorer räknades in i viken på ramar, växelpake och moor så a vikfördelningen sämde. 13

16 Figur 5. ADAMS-modell av XT28 och bana. Den främsa skillnaden mellan Komasu:s Valme 86 och Exracor:s skoare XT28 se ur e fordonsdynamisk perspekiv är a boggiarmarna har ersas med sex hydraulisk syrda pendelarmar. En annan vikig skillnad är a XT28 saknar vridmidja med roaion i x-led mellan fram och mienram, vilke innebär a rollen ine behöver analyseras separa för fram och bakdel som i Valme 86. Tabell 4. anger viker och lasfördelningen med avseende på varje hjulpar för den olasade skoaren, lasen och skoaren i lasa fall. Den sammanlagda jänseviken är kg. Tabell 4. Viker och lasfördelning på skoare XT28. Fram Mien Bak Enhe Olasa kg Las kg Lasa kg Tröghesmomene ill varje del beräknades efer bäsa förmåga. E sä som unyjades var a approximera delarna ill prismor för a räkna u röghesmomenen läare. För a underläa beräkningsprocessen användes funkionen Aggregae mass i ADAMS/View som räknar u massor sam röghesmomen i samliga rikningar. I abell 5. anges röghesmomen för hela skoaren och andra vikiga fordonsegenskaper. Tabell 5. Fordonsegenskaper för lasad XT28. Sorhe Värde Enhe Massa m 29 5 kg Tröghesmomen roll Jxx 5 8 kgm 2 Tröghesmomen nick Jyy kgm 2 Tröghesmomen gir J kgm 2 Yre hjulbas L 3,93 m Tyngdpunksläge från marken κl 2,5 m Tyngdpunksläge från främre axel λl 2,63 m 14

17 Framramen ill XT28 är sammanlänkad med mienramen via en roaionsled längs -axeln. På samma sä är mien- och bakram sammankopplad, vilke illusreras i figur 6. Skoaren får på så sä en ökad rörlighe vid svängning. Funkionen unyjas dock ine i dea examensarbee efersom skoaren endas kommer a simulera körning rak fram. Figur 6. Hjulupphängning på XT28:ans mien- och bakram. Hjulupphängningen på XT28 visas i figur 6 med de närmase hjulen osynliga. Tre längsgående svängarmar sier på var sin sida av skoarens ramar. Varje pendelarm är kopplad ill ramen via en horisonell roaionsled i y-led och har en cylinder med fjäder och dämpare som verkar mellan dem. Skoaren har en passiv fjädrad hjulupphängning. Cylindern har en maximal slaglängd på mm och minimigräns på 8 mm. Varje pendelarm har en vik på 25 kg, vilke illsammans med hjulen bildar en ofjädrad massa på 5 kg. För en så ung maskin är den ofjädrade massan relaiv lä, vilke är bra för en god komfor. I abell 6 anges syvheer för fjädrar och dämpning mellan pendelarmar och ramar ill XT28. Fjädrings- och dämpningskarakärisiken är linjär och syvheerna är därför konsaner. Dämpningskonsanerna ugör 14 procen av fjädringskonsanerna. Tabell 6. Fjädersyvheer och dämpning för XT28 med passiv sysem. Fram Mien Bak Enhe Vikförhållande 1 1,3 1,15 Dimensionslös Fjädersyvhe kn/m Dämpning kns/m Däcken som har använs i simuleringarna har exak samma dimensioner och värden på paramerarna som däcken som sier på Valme 86. Även bussningarna mellan hy och framram har samma paramerar som de som finns på Valmes grundmodell. 15

18 DÄCKSMODELL Fiala Däcksmodellen som har använs vid simuleringarna är en modell kallad FIALA- 2D och är en punkkonaksmodell som använder sig av linjära villkor för a räkna u däckskraferna. De verikala kraferna åsadkoms med en fjäder och dämpare som är placerad mellan ofjädrad massa och mark. I änden av fjädern finns en konakpunk som vandrar längs vägprofilen. Konakpunken följer en given bana som definieras i en separa fil av ire-forma som ADAMS läser in innan själva simuleringen. Banan anges i vekorer med punker i x-plane för både de högra och vänsra däcken. FIALA-modellen ar varken hänsyn ill bredden på däcken eller cambereffeker. Figur 7. Beskrivning av Fiala-2D modell. Hjälpavsnie ill ADAMS/View som behandlar däckmodeller ar upp fördelar och nackdelar med Fialamodellen. En fördel är a den ine kräver så många paramerar som anger däckens geomeri eller fysikaliska egenskaper. För sörre och mjukare däck, så som däck som sier på skoare, kan precisionen minska på grund av a modellen bygger på e saionär anagande och de laerala kraferna kan uppvisa alldeles för sora värden. Däcksdaa Fjädringssyvheer och dämpning på däcken är avgörande för a få en illfredssällande dynamik på fordone. Under idig niioal gjordes mäningar på Nokias däck av namn Fores King, som finns på de flesa av Valmes skoare. Figur 8. visar en av de många resula som erhölls från mäningarna och anger förhållande mellan fjäderkonsan och lufryck. För den full lasade ADAMSmodellen valdes däcksrycke ganska hög med e värde av ca 4,6 bar på både fram- och bakdäck. Kurvan i figur 8 ger en fjädringskonsan på 1 37 kn/m, vilke är markera med en sreckad och verikal linje. 16

19 Fjäderkonsan [kn/m] Lufryck [kpa] Figur 8. Däckssyvhe med avseende på däcksryck. Under mäningarna mäes också dämpningskonsanen, som uppgår ill cirka 15 % av fjädringskonsanen. I ADAMS-modellen erhölls resula som var närmare verkligheen med dämpning på cirka 1 % av fjädringssyvheen, d.v.s. en dämpningskonsan på cirka 137 kns/m. I abell 7. finns de väsenligase däcksegenskaperna lisade som ingick i Fialas modell för körning rak fram och som användes för samliga skoarmodeller. Tabell 7. Syvheer och andra däcksegenskaper. Sorhe Värde Enhe Fjädersyvheer k 1 37 kn/m Dämpningssyvheer c 137 kns/m Slipsyvhe Cs 1 kn Olasad radie rw,67 m Maximal frikion μmax 1 Dimensionslös Minimal frikion μmin,9 Dimensionslös TESTBANA Tesbanan är baserad på en verklig bana och används för a mäa helkroppsvibraioner. Banan har ringelformade gupp som varierar i höjd, 1, 2 och 3 cm. På varje hinder sier de värgående ribbor för a skapa fäse för däcken så a man ine glider på hindren. Precis som för skoarna är banan skapad i e Cad-program och har imporeras in och kopplas ill marken i DAMS/VIEW. I figur 9 ser man hur hindren är placerade på olika sällen både på höger och vänser sida, vilke innebär a banan lämpar sig bra för a uvärdera skoarnas rollbeeende. Banans oala längd är 28 meer. 17

20 Figur 9. Hulins bana i ADAMS/View. UTGÅNGSPUNKT FÖR MÄTNINGAR Mäpunken för a mäa acceleraionerna på skoarna har besäms ill en plas på hygolve precis under förarsolen, vilke illusreras i figur 1. De gör man för a undvika förarsolens inverkan. De ökar möjligheen a kunna jämföra märesulaen mellan verklig körning och simulerad körning. Vid mäningar på en verklig skoare som genomförs placerades acceleromerarrna på hygolve under förarsolen. I ADAMS/View måse en markör relaiv hyen skapas för a definiera en mäningspunk uifrån den. De har gjors med funkionen measure poin-o-poin. Mäning av roll och nick görs däremo i förhållande ill massyngdpunken för den del av skoaren som rollar alernaiv nickar. Figur 1. Placering av mäningspunk. MÄTNING I FÄLT Figur 11. Verklig Valme 86 under fälmäning med Hulins bana sam under vägning. 18

21 För a kunna avgöra om ADAMS-modellen sämde någorlunda överens med verkligheen och a den alsrade vibraioner i rimliga nivåer jämfördes resulaen från grundmodellen med en verklig skoare. Mäningar i re rikningar, gjordes på en verklig skoare av samma modell fas med 5 on mer vik olasad. Lasen var densamma. Den högre viken på skoaren berodde på a de sa e schakblad på skoaren. Dessuom brukar de viker som illverkarna anger i sina broschyrer vara för låga. Nedre delen av figur 11 visar skoaren under vägning. Övre delen i figur 11 visas e foografi av skoaren och Hulins bana. Skoaren kördes med konsan hasighe. Figur 12 visar hasighesförloppe för den verkliga skoaren. Hasighe [m/s] id [s] Figur 12. Hasighe för verklig Valme 86. Figurerna 13, 14 och 15 visar acceleraionerna för den verkliga skoaren i x-, y- respekive -led. RMS-värden preseneras i abell 8. 2 acc x [m/s 2 ] id [s] Figur 13. Acceleraion i x-led för verklig Valme 86. acc y [m/s 2 ] id [s] Figur 14. Acceleraion i y-led för verklig Valme 86. acc [m/s 2 ] id [s] Figur 15. Acceleraion i -led för verklig Valme

22 Tabell 8. RMS-värden av hasighe och acceleraion för verkliga mäningar. RMS-värde Enhe Hasighe x-led,44 m/s Acceleraion x-led,52 m/s 2 Acceleraion y-led,52 m/s 2 Acceleraion -led,61 m/s 2 ALTERNATIVA FJÄDRINGSSYSTEM E passiv sysem ill e fordons hjulupphängning ska konsrueras efer vad de är för yp av fordon. I de här falle handlar de om unga skogsmaskiner och sysemes uppgif är a förs och främs uppnå en god komfor för föraren sam a kunna bibehålla konaken mellan däck och mark. De är vå krierier som hamnar i konflik med varandra då en mjuk fjädring är nödvändig för få en bra komfor samidig som den ine får vara för mjuk för a fordone ine ska vingla för mycke och appa konak med marken. E anna krierium är a fjäderförskjuningen ska hållas så lien som möjlig för fordones sabilie. För a uppfylla dessa krierier har en mängd olika alernaiva fjädringssysem uvecklas genom åren. De kan grov delas in i följande principer: med nivåreglering Semiakiv fjädring Akiv fjädring E passiv fjädringssysem inkluderar fjädrar och dämpare vars fjädringssyvhe respekive dämpning ine klarar av a varieras efer ojämnheer från underlage. De har visa sig innebära, vid konsrukion av e passiv sysem, a vale av fjädrar och dämpare blir en kompromiss mellan komfor och väghållning. Väljer man mjuka fjädrar ger de relaiv låga acceleraioner men dålig väghållning medan hårdare fjädrar ger högre acceleraioner men bäre väghållning. Fördelarna med e passiv sysem är a de är enkel, billig och illförlilig. med nivåreglering E passiv fjädringssysem med nivåreglering är e passiv sysem men med den skillnaden a syseme klarar av a bibehålla konsan fjäderlängd vid saisk belasning. De åsadkoms ofas genom yre illförd energi. Semiakiv fjädring E semiakiv fjädringssysem kompenserar för sörningar som uppsår i hjulupphängningen ill en viss gräns. Vanligvis regleras en varierande dämpare eller någon annan yp av akuaor och mängden energi som illförs syseme är ofas minimal. Den främsa kompromissen är fjädern och syseme begränsas ofa av sraegin i reglersyseme. 2

23 Akiv fjädring E akiv fjädringssysem kan aningen beså av en akuaor som hel ersäer de passiva komponenerna eller verkar parallell med dessa. Energimängden som illförs eller as bor från syseme har ofa e sörre energiinnehåll än hos e semiakiv sysem och bandbredden begränsas endas av akuaorns och reglerkomponenernas frekvenssvar. KVARTS- OCH HALVFORDONSMODELLEN E sä a beskriva e sysems rörelse är a skissa en idealiserad modell av de verkliga och idenifiera frihesgraderna, DOF, som är en förkorning av Degrees Of Freedom. Ur sysemes DOF kan sysemes rörelseekvaioner erhållas, vilke unyjas för a sudera hur modellen beer sig vid parameerändringar. Här har en sådan modell använs för förs och främs esning av akiva fjädringssysem. Modellbeskrivning Figur 16 illusrerar halvfordonsmodellen men med kvarsfordonsmodellen inramad med sreckade linjer. De vå modellerna är de mes använda modellerna för analys av e fordons dynamik och har i dea fall en exra komponen mellan kaross och ofjädrad massa, en hydraulisk akuaor. Akuaorns uppgif i e akiv sysem är a generera den kraf som moverkar sörningar i form av vibraioner och förskjuningar på chassie orsakade av ojämnheer från underlage. De akiva syseme modellerades så a akuaorn verkar parallell med fjäder och dämpare. De är se ur säkerhessynpunk, väsenlig ifall syrenheen ill de akiva syseme havererar. Vid e sådan haveri kommer de passiva syseme med de konsana fjädersyvheerna och dämpning a a över uppgifen. Rekangeln i figuren föresäller den fjädrade massan, som är den delen av fordone som befinner sig ovanför fjädringen, och mosvaras av chassi, hy, m.m. De vå cirklarna är de ofjädrade massorna och besår av hjul, däck och i skoarnas fall av boggi respekive pendelarmar. Halvfordonsmodellen har fyra frihesgrader nämligen, φ, 1 och 2 medan kvarsfordonsmodellen har vå: S och Figur 16. Modell av e halv fordon med kvarsfordonsmodell inramad. 21

24 22 Noaion Förklaring Sorhe Fjädrad massa m, ms Ofjädrad massa m Massröghe Jxx Avsånd från yngdpunksläge ill däcksmi b Fjädersyvhe k Fjädersyvhe i däck k Dämpningssyvhe c Dämpningssyvhe i däck c Verikal läge för fjädrad massa, s Verikal hasighe för fjädrad massa, s Verikal acceleraion för fjädrad massa, s Verikal läge för ofjädrad massa Verikal hasighe för ofjädrad massa Verikal acceleraion för ofjädrad massa Läge på vägprofil w Hasighe på vägprofil w Rollvinkel på fjädrad massa φ Kraf från akuaor fa Ekvaioner för modell av halv fordon Kvarsfordons- och halvfordonsmodellen är linjära och fås genom direk uppsällning av krafekvaionen (Newons andra lag) eller via Lagranges ekvaion. Med linjarie menas a anagande om små vinklar görs, vilke medför a ϕ ϕ sin. Ekvaionerna för kvarsfordonsmodellen ges av 7 och 8 och ekvaionerna för halvfordonsmodellen ges av 9, 1, 11 och 12. a s s s s f k c m + = ) ( ) ( (7) (2.7) a s s f w c w k k c m + = ) ( ) ( ) ( ) ( (8) (2.8) ) ( ) ( ) ( ) ( p p p p a a c c k k f f m = ϕ ϕ ϕ ϕ (9) (2.9) ) ( ) ( ) ( ) ( p p p p a a p c c k k f f J = ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ (1) (2.1) ) ( ) ( ) ( ) ( p p a w c c w k k f m + + = ϕ ϕ (11) (2.11) ) ( ) ( ) ( ) ( p p a w c c w k k f m = ϕ ϕ (12) (2.12)

25 Simulinkmodell Uifrån ekvaionerna 7 och 8 skapades en Simulinkmodell av kvarsfordonsmodellen och en Simulinkmodell av ekvaionerna 9, 1, 11, 12. Dea gjordes i e Simulinkfönser i form av e kopplingsschema med hjälp av maemaiska komponener. Figur 17 illusrerar kvarsfordonsmodellen med krafen från akuaorn och vägsörningen som insignaler. Den verikala acceleraionen på den fjädrade massan är usignal. I figur A1 i bilaga A visas Simulinkmodellen för den linjära halvfordonsmodellen. Figur 17. Modell av kvarsfordonsmodell i Simulink AKTIVT SYSTEM MED AFC Modellering av akuaor E vikig elemen i de akiva syseme är akuaorn som ska agera med både kraf och snabbhe sam syras av reglersyseme. Akuaorer, som vanligvis används i akiva fjädringssysem på fordon, är främs hydrauliska och elekromagneiska. Elekromagneiska akuaorer har någo snabbare responsider, vilke innebär a de uppnår den efersrävade krafen snabbare än de hydrauliska akuaorerna. För a åsadkomma en illräcklig snabb reglering som hinner kompensera för de sörningar som uppsår i chassie på fordone behövs en akuaor med lagom snabb responsid. Den besäms hel av akuaorns konsrukion sam dess ingående komponener. Akuaorns dynamik kan modelleras som e försa ordningens lågpassfiler som beskrivs av ekvaion (13) och där τ är en idskonsan. 1 τ s + 1 (13) 23

26 De här säe a modellera akuaorn på lämpar sig bra efersom man ine är inresserad av uppbyggnaden av akuaorn. De är e enkel sä då man ine behöver känna ill paramerar på ingående komponener. De som behövs är iden de ar för akuaorn a nå den kraf som konrollsignalen anger. En idskonsan på,3 ger e värde på iden från konrollsignal ill uppnådd signal som är cirka 1,4 s. Figur 18 visar förloppe för akuaorn med idskonsan,3 och,8. Med idskonsanen,8 når konrollsignalens si värde på 3 kn efer cirka,3 s. För en bäre marginal väljs τ =, Signal från regulaor Signal från akuaor med idskonsan,8 Signal från akuaor med idskonsan, Kraf [kn] Tid [sek] Figur 18. Responsförlopp för akuaor med idskonsan,3 och,8 sam konrollsignal. Reglersraegi En effekiv sraegi för reglering av e akiv fjädringssysem redovisas i [4]. AFC sår för Acive Force Conrol och har visa sig vara överlägsen i jämförelse med mer konvenionella meoder vid reglering av en roboarm. Huvudprincipen är enkel och bygger på e reglersysem med en yre loop för reglering av den fjädrade massans verikala lägesförflyning sam en inre loop för reglering av de verikala acceleraionerna. I figur 19 illusreras syseme i e Simulinkfönser illsammans med kvarsfordonsmodellen, akuaor och väghinder. En gräns är sa efer akuaorn som begränsar krafsignalen och mosvarar boningen av akuaorn. Gränsvärde är olika för de vå skoarna och är 2 kn för XT28 och framramen på Valme 86 sam 4 kn för bakramen på Valme 86. Syseme esades förs med kvars- och halvfordonsmodellen och med e väghinder i Simulink. Väghindre hade för enkelheens skull vals som en riangelprofil. 24

27 Figur 19. Reglersysem med AFC. I den inre loopen sker regleringen efer den uppmäa acceleraionen i -led, som mulipliceras med en uppskaad massa, som beecknas M och fungerar som en P-regulaor. Produken subraheras från den uppmäa krafen som kommer u från akuaorn, f. Huvudformeln ill regleringen ges av ekvaion (14) där Q är sörningen som åerkopplas. Q' = f ' M ' (14) För reglering av den verikala posiionen användes en PD-regulaor. De är läge på den fjädrade massan som åerkopplas och subraheras från de önskade läge sd. Genomförande Följande avsni behandlar hur examensarbee har genomförs. Försa avsnie behandlar modifieringen av grundmodellen Valme 86. Vidare har en fallsudie gjors för val av syvheer ill fjädrar och dämpare ill den modifierade Valme 86 med passiv fjädring. Sedan följer en frekvensanalys med beräkning av egenfrekvenserna för a konrollera a PSD-kurvorna visar rä egenfrekvenser. Andra avsnie behandlar implemeneringen av de akiva syseme där den förs esas med halvfordonsmodellen och sedan i ADAMS-modellerna. MODIFIERING AV VALMET 86 Krave på en fjädrad skoare är a ändringen ine är för radikal och a ursprungskonsrukionen med boggiarmar och vå axlar bibehålls. Efersom de handlar om e fordon med en oalvik på upp ill näsan 3 on med las så kommer de a krävas sora värden på syvheerna på de bakre fjädrarna. 25

28 En vikig dealj a beaka hos Valme 86 är vridmidjan, som för den ofjädrade modellen är hel fri a roera i förhållande ill bakvagnen. De är ur komforsynpunk inressan a uvärdera en fjädrad modell med fri roaion och en med lås roaion av vridmidjan. Därför skapades yerligare en modell genom a ersäa roaionsleden med en fix led eller med andra ord låses vridmidjan. Figur 2. Fjädrad Valme 86 i ADAMS/View. Upphängning av axel Efer analys av olika möjligheer ill e fjädrande sysem besämdes a använda e sysem med fyra linjära fjädrar och dämpare. De placerades mellan axel och ram på höger och vänser sida om både bak och framram. Figur 21 illusrerar axelupphängningen där axeln är kopplad ill en verikal kolv med en roerande led i boggiaxeln. Kolvens uppgif är a förhindra longiudinell och laeral avvikelse av axeln och illåa verikal förskjuning. I en verklig applikaion skulle en exra syv fjäder kunna moneras ovanför kolven för a få yerligare fjädring vid sora verikala lägesändringar. E anna sä a förhindra sora verikala lägesändringar är a använda en olinjär eller en hydraulisk fjädring, där krafen ökar mer än bara proporionell mo fjäderförskjuningen. Figur 21. Axelupphängning för fjädrad Valme

29 På axeln sier boggiarmarna placerade på samma sä som på originalskoaren med vå hjul på varje sida. Se i figur 22. Figur 22. Boggiarm med hjulpar. Fallsudie En fallsudie gjordes genom a variera syvheerna på främre och bakre fjädrarna sam a säa nickvinkeln, som har sorheen θ, ill noll i saionär illsånd. Nickvinkeln θ definieras som vinkeln vid skoarens yngdpunk som uppsår i roaion kring y-axeln. Skoaren simulerades i ADAMS över de högsa hindre, som är 3 cm. Genomsnishasigheen var omkring,5 m/s. Tabell 9 visar syvheer, förhållande mellan bakre och främre syvhe (K b /K f ) sam resula av RMS värden på acceleraionerna mä på hygolve, under solen. De lägsa acceleraionsnivåerna får man med de lägsa syvheerna. Tabell 9. Resula från fallsudien genom a ändra syvheer på fram- och bakfjädrar. Fall Kf Kb Kb/Kf RMS_accx RMS_accy RMS_acc kn/m 1 9 kn/m 5,43,63 m/s 2,54 m/s 2,48 m/s kn/m 2 3 kn/m 5,75,66 m/s 2,56 m/s 2,49 m/s kn/m 3 3 kn/m 6,6,69 m/s 2,57 m/s 2,49 m/s kn/m 4 7 kn/m 7,83,67 m/s 2,58 m/s 2,5 m/s kn/m 7 kn/m 1,72 m/s 2,58 m/s 2,5 m/s 2 Efersom skoaren har e lång axelavsånd i jämförelse med skoarens bredd är de förs och främs rollrörelsen som bör beakas. De är också rollrörelsen som är den rörelse som åsadkommer de sörsa vibraionerna på en skoare i verklig drif. Vid fullasad skoare var de lämpligas a förs undersöka bakramens rollrörelser. Figur 22 visar kurvor på bakramens svar i roll efer de valda guppe för samliga syvheer på fjädrarna. Kurvorna visar ydlig a uslagen blir sörre ju lägre värde på fjädringssyvheerna är och för fall 1 kan man ill och med se a insabilie börjar uppräda då oppvärdena ökar när de andra däcke i boggiarmen passerar guppe. Därför kan fall 1 förkasas. De vå sora uslagen beror på a de finns vå däck på en boggi. För fall nr 5 sabiliserar sig bakramen snabbas och är ur sabiliessynpunk de bäsa alernaive. Dock blir acceleraionsnivåerna högre ju högre syvheen är och man får därför göra en kompromiss för a få både en lämplig sabilie och a vibraionsnivåer ska hållas på en rimlig nivå. 27

30 Roll bakpari [grader] id [s] Figur 22. Fallsudie av svare på rollrörelsen av bakramen på Valme 86 vid simulering över e gupp på 3 cm. Figur 23 visar PSD-kurvorna för acceleraionerna i -led i fallsudien. Egenfrekvenserna ligger inom inervalle 1,2 1,5 H. Någo anna som PSD-kurvan visar är a ju lägre syvheer man har på fjädringen deso mer förflyas acceleraionerna i -led mo egenfrekvenserna och de leder mo en koncenraion av energin närmare frekvensen 1 H. De är bra för komforen efersom egenfrekvenserna flyas bor från de känsliga frekvensområde för människan som är 3 1 H. PSD acc [m 2 /H*s 4 ] Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall Frekvens [H] Figur 23. PSD-kurva för acceleraion i hygolv i -led för fallsudien. PSD-kurvorna för den laerala acceleraionen i figur 24 visar en förflyning av egenfrekvensen mo 1 för lägre syvheskonsaner och en minskning av energin vid försärkningen. 28

31 PSD acc y [m 2 /H*s 4 ].1.5 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall Frekvens [H] Figur 24. PSD-kurva för acceleraion i hygolv i y-led för fallsudien. Skoaren för fall 2 har lämpligas värden på fjädersyvheerna efersom en egenfrekvens så nära 1 som möjlig är önskvärd ur komforsynpunk och fall 1 har för veka fjädrar för a erhålla god sabilie. Beräkning av egenfrekvenserna För a konrollera om försärkningsfrekvenserna i PSD-kurvorna för verikal acceleraion i figur 23 sämmer har egenfrekvenserna räknas u och jämförs. De är vid egenfrekvenserna som man får en försärkning av vibraionerna, de vill säga a de är då som resonans uppsår. Egenfrekvenserna för den fjädrade och de ofjädrade massorna räknades u för roll och hopp och de gjordes även för fram- och bakvagn. Roll fram: k 1 = k 2 = 4 kn/m Fjädrad massa hopp och roll: 5 1 k1 + k f 1, H e 2 m = π π f Ofjädrade massor hopp: 3 1 k f e2 = f e3 = 4, 8H 2π m 2π 1495 a1 29

32 Roll bak: k = k 23 kn/m 3 4 = Fjädrad massans hopp och roll: 6 1 k3 + k4 1 4,6 1 f e 1 = 2, 56H 2π M 2π Ofjädrade massornas hopp: 3 1 k f e2 = f e3 = 4, 8H 2π m 2π 1495 a3 Egenfrekvensen för den fjädrade massan på framvagnen, f = 1,42 H, sämmer ganska bra överens med den försärkningsfrekvens som framgår för fall 2 i figur 23 och ligger inom inervalle 1,3 1,45 H. Val av fjäderkonsaner A finna de opimala värdena på fjädringssyvheer för e passiv sysem är en sändig kompromiss mellan komfor och väghållning. Vekare fjädrar ger ofas lägre acceleraionsnivåer men samidig sämre sabilie mo underlage. Vridmidjan som sammanbinder fram- och bakram gör rollrörelsen på skoaren ill den mes insabila frihesgraden. De är också vikig a sabilieen ine påverkas så mycke av lasändringar. Efersom skoaren belasas med en maximal vik och a mycke sor del av lasen hamnar på bakaxeln behövs högre fjädersyvhe på fjädrarna i bakramen. I e verklig fall kan fjädrar med olinjära egenskaper användas, som innebär a fjädersyvheen ökar mer än bara proporionell med fjäderns hopryckning eller som ökar med lasen. I examensarbee är samliga fjädrar och dämpare linjära. För dämparna användes en ummregel och dämparkonsanerna saes ill 1 % av fjäderkonsanerna. Figur 25. Nickvinkel för en fjädrad Valme 86 vid simulering över gupp på 3 cm från Hulins bana. 3

33 Som ugångspunk för rä val av fjäderkonsaner var a undersöka nickvinkeln i saionär illsånd. Figur 25 visar kurvorna för nickvinken vid körning över guppe på 3 cm för den lasade skoaren där de bakre fjäderkonsanerna varierades. Fjädersyvheer på framfjädrarna är 4 kn/m i samliga fall. Vid körning med syvheen 23 kn/m på fjädrarna i bakramen har skoaren si jämviksläge när nickvinkeln är noll (θ ). För syvare fjädrar i bakramen kommer skoaren a lua framå (θ > ) och för vekare fjädrar i bakramen bakå (θ < ). Dea kunde dock korrigeras för i ADAMS/View genom a ändra den förbesämda fjäderlängden på fjädrarna i bak- eller framram innan simuleringen så a jämviksläge för både fram- och bakram hamnar på samma nivå. IMPLEMENTERING AV AKTIVT SYSTEM I de här avsnie beskrivs hur e akiv sysem förs esades i halvfordonsmodellen med parameervärden från en passiv fjädrad Valme 86 sam i ADAMS-modellerna: passiv fjädrad Valme 86 och passiv fjädrad XT28. Akiv fjädringssysem i halvfordonsmodell E es av de akiva syseme gjordes förs med halvfordonsmodellen i Simulink för a se om syseme fungerade som de var änk och för a jusera regulaorerna med måle a uppnå bäsa reglering. Föruom a spara id var de inressan efersom man kunde jämföra hur bra den linjära modellen i Simulink sämde överens med de resula som erhölls från ADAMS. Tabell 1 innehåller parameervärdena för halvfordonsmodellen som kommer från uppskaade och uppmäa värden för framvagnen på den fjädrade Valme 86. Fjädrings- och dämpningskonsanerna för höger och vänser däck saes ill samma värde, som för e av däcken, ros a de egenligen finns vå däck på varje boggiarm och oal fyra däck på framvagnen. De ger en bäre uppskaning än om man skulle addera vå däckssyvheer. Förklaringen är a varje däck passerar e gupp i age, de vill säga båda däcken som sier på boggiarmen passerar ine samma gupp samidig och de gör a den dubbla däckssyvheen skulle ge e felakig beeende. Tabell 1. Parameervärden för halvfordonsmodellen. Sorhe Värde Enhe m 5 1 kg m 1 5 kg Jxx 1 85 kgm 2 b,57 m k 4 kn/m k 1 37 kn/m c 4 kns/m c 137 kns/m Med syfe a kunna exciera fordone både i -led och i θ-led fick förs de vänsra hjule passera e 2 cm riangelforma gupp och re sekunder senare passerade de högra däcke e lika hög gupp. Fordone körde över hindre med hasigheen,5 m/s. Försöke gjordes förs uan syseme inkoppla och sedan 31

34 med vå olika idskonsaner för akuaorn, τ =,3 och τ =,8. Figur A2 i bilaga A visar de akiva syseme med halvfordonsmodellen och båda hindren. Figurerna 26 och 27 visar svare för den verikala posiionen respekive den verikala acceleraionen för de passiva och för de akiva fjädringssyseme med de vå idskonsanerna. Graferna visar på en krafig minskning i läge och ine mins acceleraionsnivåerna med AFC-syseme. Även rollvinkel och rollacceleraionerna visar på en avsevärd minskning, vilke illusreras i figurerna 28 och 29. Acceleraionerna blir lägre med den snabbare akuaorn och i figurerna 27 och 29 minskar ampliuderna ned ill mer än hälfen med den snabbare akuaorn. Skillnaden i nivå ändras ine märkbar med den snabbare akuaorn, vilke konsaeras i figurerna 26 och Passiv sysem Akiv sysem/ τ =.8 ill akuaor Akiv sysem/ τ =.3 ill akuaor.1.8 [m] id [s] Figur 26. Posiionen i -led för den fjädrade massan i halvfordonsmodellen för Valme Passiv sysem Akiv sysem/ τ =.8 ill akuaor Akiv sysem/ τ =.3 ill akuaor 4 acc [m/s 2 ] id [s] Figur 27. Acceleraion i -led för den fjädrade massan i halvfordonsmodellen för Valme

35 1 Passiv sysem Akiv sysem/ τ =.8 ill akuaor Akiv sysem/ τ =.3 ill akuaor 5 φ [grader] id [s]. Figur 28. Rollvinkel för den fjädrade massan i halvfordonsmodellen för Valme Passiv sysem Akiv sysem/ τ =.8 ill akuaor Akiv sysem/ τ =.3 ill akuaor 4 acc φ [grader/s 2 ] id [s] Figur 29. Rollvinkelacceleraion för den fjädrade massan i halvfordonsmodellen för Valme 86. Figur 3 visar den kraf som en av akuaorerna måse generera för a komma över de 2 cm höga hindre och samidig minimera acceleraionerna. Observera a krafens sorlek näsan ine ändras alls av hur snabb akuaorn är. En lien opp uppsår för den heldragna kurvan som är den exra kraf som den snabbare akuaorn använder sig av för a reducera acceleraionsoppen yerligare, vilke syns i figur 27 vid iden 2 s. De mesa av krafen går allså å ill a reglera posiionen. 33

36 5 Akuaorkraf vänser [kn] -5-1 τ =.8 ill akuaor τ =.3 ill akuaor id [s] Figur 3. Kraf som akuaor genererar för de 2 cm höga guppe. Implemenering av e akiv sysem i ADAMS Valme 86 Insignalerna ill de akiva syseme (se figur 19), som har skapas i Simulink, är acceleraion och posiion i verikalled i den övre änden på respekive fjäder vid fyra punker på chassie. I ADAMS/View definieras usignalerna från modellen som sae variables med funkionen ACCZ(MARKER) för acceleraionen och DZ(MARKER) för posiionen. MARKER sår för den markör som skapas i den punk på ramen som man vill kunna se hur acceleraion och posiion varierar. Figur 31 visar en av de fyra punker där usignalerna från ADAMS-modellen erhölls och där acceleromerar skulle ha placeras i verklig fall. Figur 31 Upphängning av framram med fokus på den övre markören ovanför vänser fjäder. Usignalerna från Simulinksyseme och in ill ADAMS-modellen är de fyra krafer som kommer från akuaorerna. För dea ändamål har en kraf skapas mellan boggiaxel och chassi som verkar parallell med en passiv fjäder och dämpare. Krafen har illdelas e variabel värde med funkionen VARVAL(InpuForce_1), där InpuForce_1 är en av de fyra insignalerna ill modellen som definieras som en sae variable och är krafen u från syseme och akuaorn. Efer de a insignaler och usignaler skapas körs simuleringen en gång innan en conrol_plan skapas, som är en förbindelselänk (gränssni) mellan ADAMS/View och Simulink/Malab. I Malab-fönsre skrivs en conrol_plan för a sara kommunikaionen mellan programmen och adams_sys ar fram kommunikaionsblocke, som kopplas ihop med de akiva syseme i e Simulinkfönser. 34