Epsilon HighTech Probator AB Vägverket Borlänge Tekn Lic. Gert Westergren. Civ.Ing. Ingemar Brottare

Transkript

1 Sida 1 (15) 5$33257 Er Referens: Datum Ersätter Utgåva Rapport nr. EK 50 A 2001: Skyltfonden Utförd av Epsilon HighTech Probator AB Vägverket Borlänge Tekn Lic. Gert Westergren Box 760 S Borlänge Övriga mottagare Sammanfattning Granskad av Civ.Ing. Ingemar Brottare 6/875$ ',($99(5./,*$/$67(53c'(0217(5%$5$ 3(5621%,/6'5$* Syftet med projektet var att bidra till en ökad kunskap om förekomsten av sidokrafter på dragkrokar hos personbilar, vid körning med släpvagn eller dyl., och bedöma om kraven i gällande EU-direktiv på dragkrokar bör ändras. Projektet gick ut på att mäta krafter på en dragkrok under så verklighetsnära körförhållanden som möjligt. I projektet ingick att konstruera, tillverka och verifiera dynamometrar för att mäta krafter i de tre huvudriktningarna i längs-, vertikal- och sidled. För att få en grov uppfattning om vilka laster som påverkar dragkroken under drift definierades ett antal körfall där korttidsmätning skulle ske. Dessutom skedde mätning under lite längre sträckor. Totalt genomfördes mätningar, på ett och samma ekipage av personbil och släpvagn, under ca 175 mils körning. Mätinsamling skedde med inspelning av tidssignal eller med rainflow analys. Mätningen visar att betydande sidokrafter förekommer - största uppmätta sido-kraftvidd var ca 5 kn. Största uppmätta kraftvidd, ca 10 kn, uppmättes i fordonets längsled. Största uppmätta vertikal-kraftvidd var ca 7 kn. Mätresultaten indikerar att en sidokraftskomposant borde ingå i föreskriven provningsmetod. I mätningarna visas tydligt att förekommande laster består av ett lastspektrum, i tre olika riktningar. Således borde en provningsmetod med last-spektrum i alla tre riktningarna eftersträvas.. Genom en mer verklighetsnära provningsmetod ökar säkerheten vid verifiering av hållfasthet och livslängd hos draganordningar hos motorfordon. Sökord

2 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 2 (15),11(+c//6)g57(&.1,1* 1. SYFTE BAKGRUND METOD Identifiering och planering Konstruktion och tillverkning av dynamometrar på dragkrok Utmattningsprovning av dragkrok enl EU-direktiv 94/ Montering av töjningsgivare Mätsystem och kalibrering mot kända krafter Montering i fordon Mätning vid definierade körfall Mätning vid olika lastfall på släpvagn Mätning under längre sträckor RESULTAT Exempel på mätresultat Utvärdering av mätning från definierade körfall och långtidskörning Mätning under längre sträckor Mätning per körfall och lastfall SLUTSATSER OCH DISKUSSION... 14

3 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 3 (15) 6<)7( Syftet med projektet var att bidra till en ökad kunskap om förekomsten av sidokrafter på dragkrokar hos personbilar, vid körning med släpvagn eller dyl., och bedöma om kraven i gällande EU-direktiv på dragkrokar bör ändras. Projektet gick ut på att mäta krafter på en dragkrok under så verklighetsnära körförhållanden som möjligt. I projektet planerades, genomfördes och utvärderades fältmätning av laster på draganordning hos personbil under verklighetsnära förhållanden. %$.*581' Vid kontakter med Vägverkets Fordonsavdelning framkom det fall där demonterbara personbilsdrag lossnat under körning. I det sammanhanget ställdes frågor kring huruvida sidolaster kan vara orsak till tillbuden och om dagens krav på draganordningar beaktar sidokrafterna tillräckligt väl. De demonterbara dragkrokarna monteras/demonteras oftast genom en vridande rörelse avslutad/inledd med en låsande/upplåsande funktion. Sidolasten på en demonterbar dragkrok ger upphov till vridande momentbelastningar som den låsande funktionen måste klara. I de gällande direktiven med krav på hållfasthet finns inte något krav på verifierande provning där sidolaster ingår, utan endast en kraft som ligger i fordonets längs-vertikal-plan (15 grader ifrån fordonets horisontalplan). Trots att draganordningar är en relativt mogen produkt som funnits länge, är vår bild att kunskapen om verkliga laster ofta är begränsad. Av naturliga skäl är det svårt att beskriva vilka laster som påverkar ett drag, eftersom sättet att använda dragkrokar är ytterst varierande och det ej låter sej beskrivas på något enkelt sätt. De uppkommande verkliga krafterna beror av många faktorer och har en stor statistisk spridning. Det erfordras därför mycket omfattande insatser och därmed stora kostnader för att genomföra heltäckande undersökningar. Kunskapsläget hos tillverkarna, om de mekaniska laster som påverkar draganordningar, är troligen begränsad eftersom gällande direktiv styr dimensioneringen av deras produkter. Däremot är kunskapen säkerligen större hos fordonstillverkarna som måste dimensionera sina fordon för dessa laster.

4 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 4 (15) 0(72',GHQWLILHULQJRFKSODQHULQJ Litteratursökning genomfördes m.h.a. biblioteket vid Vägverket utan att finna några andra referenser än författningstext. Eftersom sökningen inte gav några referenser på andra dokumenterade mätningar gjordes inga fler sökningar. Under projektets gång erhölls information om att ett projekt pågick vid LBF i Darmstadt, med mål att ta fram ett tre-axiellt standard provspektrum för personbilsdrag. Projektdeltagare var ett flertal biltillverkare. Ingen teknisk information bedömdes dock vara tillgänglig för utomstående. Till viss del fördes diskussioner med Vägverkets Fordonsavdelning kring upplägget av vårt projekt. En grovplanering av projektet genomfördes av hur och när det skulle genomföras. T.ex. gällde det val av personbil, dragkrok, släp, körfall, etc. Valet föll på en löstagbar dragkrok till en delbar dragram för Volvo S60/V70..RQVWUXNWLRQRFKWLOOYHUNQLQJDYG\QDPRPHWUDUSnGUDJNURN För att mäta de tre huvudkrafterna som verkar på dragkroken mellan bil och släp behövdes tre stycken dynamometrar eller tre mätbryggor, som var och en mätte enbart en kraftriktning (med så lite överhörning som möjligt från övriga krafter). Det framtagna konceptet för dynamometrarna byggde på töjningsgivare för mätning av töjningar som är proportionella mot aktuell tvärkraft. Därför har dragkroken bearbetats dels för att möjliggöra applicering av trådtöjningsgivare men också för att försvaga densamma så att mätbara töjningar erhålles. För att säkerställa låg överhörning mellan mätbryggorna, mätbarhet och tillräcklig kvarstående hållfasthet hos den bearbetade dragkroken genomfördes omfattande hållfasthetsanalyser med FEM (Finita Element Metoden) i flera omgångar. Utifrån analyserna skedde en mekanisk bearbetning på dragkroken. 8WPDWWQLQJVSURYQLQJDYGUDJNURNHQO(8GLUHNWLY I ett separat projekt, där projektmedel beviljades vid en tilläggsansökan(ek 50 A 2001:24908), genomfördes utmattningsprovning av en, enligt ovan bearbetad, dragkrok som skulle användas vid mätningarna. Syftet med provningen var att undersöka om dragkroken trots bearbetningen uppfyller fodringarna i direktiv 94/20/EG (ref.1) med avseende på utmattningsprovning.

5 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 5 (15) Efter genomförd provning med lastcykler med F min = -5,46 kn och F max = 5,46 kn kunde konstateras att provföremålet ej uppfyllde fordringarna med avseende på utmattningsprovning i direktiv 94/20/EG för ett D-värde på 9,1kN pga. sprickbildning. Provföremålet uppfyller förvisso ej fodringarna med avseende på utmattningsprovning i direktiv 94/20/EG, om orsakerna till detta kan spekuleras. Det är dock vår bedömning att de bearbetningar som införts ej var orsaken till detta. Således bedöms att den bearbetade dragkroken kan användas under de planerade mätningarna. Före mätningarna skickades en ansökan med tillhörande provningsrapport in till Vägverket. Tillstånd erhölls från Vägverket att använda det enligt ovan modifierade draget vid mätningarna. 0RQWHULQJDYW MQLQJVJLYDUH Därefter kunde töjningsgivarna appliceras, förses med skyddsmedel och uppkopplas. 0lWV\VWHPRFKNDOLEUHULQJPRWNlQGDNUDIWHU Mätsystem För att kunna mäta töjningarna i de tre mätbryggorna (kanalerna)användes ett mätsystem av märket Swift, en digital datalogger med excitation för mätbryggor tillsammans med en shuntoch kalibreringsbox. Varje mätbrygga(fullbrygga) bestod av 4 st. töjningsgivare med mätlängden 3 mm och givarresistansen 120 ohm. Samplingsfrekvens var 500 Hz under mätinsamling av tidssignal och 2000 Hz vid mätinsamling av tidssignal med direkt bearbetning med rainflow analys. Mätsystemet har vid mätinsamling av tidssignal en upplösning av mätområdet på 256 klasser och vid direkt rainflowanalys 64 klasser. För att kvalitetssäkra mätningarna genomfördes kalibrering i Epsilons laboratorium mot kända belastningar i alla tre huvudriktningar. På så sätt kunde signalnivån kalibreras och överhörningen mellan kanalerna kontrolleras. De kunde konstateras att överhörningen mellan kanalerna var mindre än ca 5 %. Onogrannhet av mätt kraft Det finns många parametrar som påverkar onogrannheten i mätningarna, men med hänsyn till de viktigaste parametrarna uppskattades mätonogrannheten till: Längskraft: Vertikalkraft: Sidokraft: ca ± 0,4 kn ca ± 0,5 kn ca ± 0,3 kn

6 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 6 (15) 0RQWHULQJLIRUGRQ Den demonterbara dragkroken monterades på en Volvo V70 01, och tillhörande mätutrustning installerades i personbilen. Nedan ses hela ekipaget med stål-ställning på släpvagn för placering av vikter. Släpvagnen var av typen PROAB 4P-9025, längd 4,00 m och bredd 1,79 m. Lastutrymmets längd 2,5 m. Tjänstevikt 220 kg.

7 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 7 (15) 0lWQLQJYLGGHILQLHUDGHN UIDOO För att få en grov uppfattning om vilka laster som påverkar dragkroken under drift definierades ett antal körfall där korttidsmätning skulle ske. Mätinsamling skedde med inspelning av tidssignal och med rainflow analys. Följande körfall definierades: Rak dålig väg (50, 70 och 90 km/h) Rak vägsträcka ca 1 km med dålig asfalts-beläggning, spårig och gropig. Kurvig väg (45 och 55 km/h) Kurvavsnitt, ca 300 m, på mindre grusväg. Vägbula (30 och 45 km/h) Bred vägbula med övergångsställe på. Filbyte (80 km/h) Motorväg Inbromsning (endast ett lastfall) Mindre gata med asfalt Jackknife (endast ett lastfall) Parkering med kantsten som släpet backas (max 3-5 km/h) sakta snett emot 0lWQLQJYLGROLNDODVWIDOOSnVOlSYDJQ Ovanstående körfall mättes vid 5 olika lastfall med olika placeringar av vikter (ett antal stålplåtar om ca 50 kg/st) M1 - M2 - M3 - M4 - M5-300 kg på flak i mitten placerade ovanför hjulaxel 150 kg vid främre delen av släpet ca 0,5 m över flaket samt 150 kg vid bakre delen ca 0,5 m över flaket. 150 kg på flaket längst fram och 150 kg på flaket längst bak. 300 kg ca 0,5 m över flak ovanför hjulaxel. M4 + ytterligare ca 150 kg på flakets botten ovanför hjulaxel

8 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 8 (15) 0lWQLQJXQGHUOlQJUHVWUlFNRU För att försöka efterlikna verklig drift genomfördes mätningar vid körning även under lite längre sträckor för tre olika lastfall på släpvagnen. Mätinsamling skedde enbart med rainflow analys. All körning skedde i Dalarna i närheten av Borlänge. I allmänhet låg temperaturen kring ca +5 C och väglaget var en blandning mellan torr/fuktig vägbana av asfalt eller grus. Bedömningen är att andelen 70-sträckor var dominerande och att sträckorna är relativt kurviga med inslag av dålig beläggning. Genomsnittshastigheten var ca km/h. Mätning skedde på följande sträckor: Sträcka 1 Sträcka 2 Sträcka 3 Sträcka 4 Längd ca 112 km Lastfall M2, M4 och M5 Längd ca 115 km Lastfall M2, M4 och M5 Längd ca 113 km Lastfall M2, M4 och M5 Längd ca 657 km Lastfall M2

9 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 9 (15) 5(68/7$7 ([HPSHOSnPlWUHVXOWDW Eftersom tidssignalen oftast klassificerades enligt rainflow analys-metoden kunde datamängden begränsas. Men genom de många kombinationerna erhölls trots allt en relativt stor mängd data och diagram. I rapporten visas en mycket liten del av erhållna mätdata, de viktigaste. Exempel på utdata från mätningarna visas nedan. Observera att mätdata i diagrammens y- axlar ej redovisar kraft i N utan i microstrain eller Classes. Utifrån kalibrering mellan kraft och microstrain räknas i efterhand om till enheten N. Eftersom det normalt är utmattningshållfastheten som är intressantast vid dimensionering av draganordningar till motorfordon redovisas uppmätta krafter genom dess kraftvidd, d.v.s. skillnad mellan maxvärdet och minimivärdet för en belastningscykel. Tidssignal Nedan visas exempel på insamlad tidssignal(kopia av resultatfönster från programvara till mätsystemet) för kraft i längsled. På x-axeln visas tid.

10 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 10 (15) Range Pair (RP) -diagram Nedan visas exempel på resultat från mätningarna i form av Range Pair(RP)-diagram som erhålls genom bearbetning av tidssignalen (Längskraft). I diagrammets y-axel visas kraftvidd i microstrain eller classes och på x-axeln visas 10-logaritmen för antalet lastcykler. 8WYlUGHULQJDYPlWQLQJIUnQGHILQLHUDGHN UIDOORFKOnQJWLGVN UQLQJ Mätning av krafter i de tre huvudriktningarna (längs-, vertikal- och sidled) genomfördes under ca 175 mils bilkörning med släpvagn, dels i ett antal kombinationer av definierade körfall med olika lastfall och dels under längre körsträckor. De största uppkomna krafterna inträffade oftast en enstaka gång och lägre kraftnivåer uppträder oftare.

11 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 11 (15) Mätning under längre sträckor Mätningen visar att betydande sidokrafter förekommer - största uppmätta sido-kraftvidd var ca 5 kn. Största uppmätta kraftvidd, ca 10 kn, uppmättes i fordonets längsled. Största uppmätta vertikal-kraftvidd var ca 7 kn. Vid en grov jämförelse mellan antalet lastcykler för respektive kraftriktning verkar det som om vertikal- resp. sido-kraften har ca 1-3 % av längskraftens lastcykler. I genomförda mätningar var antalet cykler för vertikalkraften något lägre än för sidokraften. I tabellen nedan visas maximala erhållna kraftvidder ( samt antal nollpassager för respektive riktning och sträcka) M1 M2 M3 M4 Antal nollpassager Antal noll- Antal noll- passager passager Antal nollpassager Antal nollpassager Sträcka 1 5, , , Sträcka 2 6, , , Sträcka 3 5, , , Sträcka 4 9, M5 M1 M2 M3 M4 M5 Antal nollpassager Antal noll- Antal noll- Antal noll- passager passager passager Antal nollpassager Sträcka 1 5, , , Sträcka 2 4, , , Sträcka 3 4, , , Sträcka 4 6, M1 M2 M3 M4 M5 Antal nollpassager Antal noll- Antal noll- Antal noll- passager passager passager Antal nollpassager Sträcka 1 3, , , Sträcka 2 3, , , Sträcka 3 3, , , Sträcka 4 4,

12 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 12 (15) Mätning per körfall och lastfall Körfall Största längs-kraftvidd och vertikal-kraftvidd erhölls för körfall vägbula 45 km/h. Största sido-kraftvidd erhölls för rak dålig väg med 70 km/h. Lastfall M2 och/eller M4 gav de högsta kraftvidderna. Nedan visas maximalt uppmätt kraftvidd för respektive körfall och vid vilket lastfall det inträffat.! "$#%&(' Rak väg 50 Rak väg 70 Rak väg 90 Kurva 45 Kurva 55 Vägbula 30 Vägbula 45 Filbyte km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h M1 5,7 3,4 M2 5,2 3,4 3,4 6,9 M3 M4 6,3 3,4 4,0 6,9 4,6 M5 5,2 ) &(*%+,-!&(' Rak väg 50 Rak väg 70 Rak väg 90 Kurva 45 Kurva 55 Vägbula 30 Vägbula 45 Filbyte km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h M1 4,0 2,4 2,0 2,0 M2 4,0 3,0 2,0 2,0 4,0 5,9 M3 3,0 2,0 2,0 M4 2,0 2,0 M5 4,9 4,0 3,0 # + ' &(' Rak väg 50 Rak väg 70 Rak väg 90 Kurva 45 Kurva 55 Vägbula 30 Vägbula 45 Filbyte km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h km/h M1 1,6 1,6 2,1 M2 2,1 2,7 2,1 1,6 M3 1,1 M4 2,1 1,1 M5 2,1

13 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 13 (15) Lastfall M1 Största längs-kraftvidd för rak dålig väg och 50 km/h. Största vertikal-kraftvidd för vägbula 45 km/h Största sido-kraftvidd för vägbula 45 km/h och rak dålig väg 70 km/h. M2 Största längs- och vertikal-kraftvidd för vägbula 45 km/h. Största sido-kraftvidd för rak dålig väg 70 km/h. M3 Största längs-kraftvidd för rak dålig väg. Största vertikal-kraftvidd för rak dålig väg 90 km/h. Största sido-kraftvidd för rak dålig väg 90 km/h och vägbula 45 km/h. M4 Största längs-, vertikal- och sido-kraftvidd erhölls för vägbula 45 km/h. M5 Största längs-kraftvidd erhölls vid rak dålig väg. Största vertikal- och sido-kraftvidd erhölls vid rak dålig väg 50 km/h.

14 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 14 (15) 6/876$76(52&+',6.866,21 Inledning Det laster som påverkar ett personbilsdrag varierar mycket beroende på vilket sätt det används. Sättet att använda kan beskrivas med en mängd olika parametrar som var för sej kan variera oberoende av övriga parametrar. Exempel på parametrar kan vara - Flera egenskaper hos fordonet - Typ av släp - Vikt: Lastvikt och totalvikt - Fördelning av vikt på släpet - Förare och körsätt - Hastighet - Egenskaper som beskriver vägens standard - Väder och väglag - O.s.v. Mätningarna är genomförda under en begränsad tid och det är uppenbart att mätningarna utgör en form av stickprov av vilka laster som påverkar personbilsdrag under drift, där ett fåtal parametrar har varierats till viss del. Därför skall resultatet från detta projekt ses som en indikation på den mekaniska driftsmiljön för personbilsdrag. Jämförelse mellan uppmätta kraftvidder och föreskriven provning I EU-direktiv 94/20 föreskrivs att draganordningar skall genomgå utmattningsprovning med en varierande växlande kraft med medelvärdet noll och sinusform, verkande i ett vertikalplan med vinkeln 15 grader mot horisontalplanet. Totalt skall provningen omfatta lastcykler. imal uppmätt kraftvidd i längsled motsvarar drygt 90 % av föreskriven, enligt EUdirektiv 94/20, kraftvidd i längsled vid utmattningsprovning av draganordning till personbil för D-värde 9,1 kn. imalt uppmätt kraftvidd i vertikalled motsvarar ca 200 % av föreskriven kraftvidd. De maximala krafterna uppmättes någon enstaka gång under de olika mätningarna och i föreskriven provning (kraftamplitudkomposant i både längs- och vertikal-led) skall kraften upprepas cykler i båda riktningarna. Vi en extrapolering av antalet cykler till en tänkt körsträcka av t.ex mil erhålls ett spektrum för längskraften som troligen ger en mycket mindre delskada än vad föreskriven provningsspektrum ger. Mätresultaten indikerar att en sidokraftskomposant borde ingå i föreskriven provningsmetod. Den delskada som sidokraft kan ge beror också på hur dragkrokens geometri är utformad.

15 Studie av verkliga laster på demonterbara personbilsdrag Sida 15 (15) Vid analys av utmattningshållfastheten hos en konstruktion studerar man den delskada som en last ger. Delskadan ger ett mått som kan användas för att bedöma återstående livslängd. Normalt antas att då delskadan är kring 1, är konstruktionens bärförmåga uttömd. Delskadan beräknas m.h.a. en beskrivning av lasten, exempelvis dess lastspektrum, och en Wöhlerkurva för aktuellt område på komponenten. Det föreskrivna provningsmetoden bedöms ge en mycket högre delskada än vad de uppmätta lastspektra, med extrapolerad körsträcka, ger. Kommentar om föreskriven provningsmetod i allmänhet. Den föreskrivna provningsmetoden baseras på en konstantamplitud provning. I verkligheten påverkas ett personbilsdrag utav ett lastspektrum som har en varierande amplitud som uppkommer på ett slumpartat sätt. Konstruktionen kan ha flera kritiska områden, ur utmattningshänseende, där varje områdes samband mellan hållfasthet och antalet lastcykler den s.k. wöhlerkurvan - kan ha olika lutningar. Det innebär att om belastningen består av en konstant amplitud kan risk finnas att olika brott erhålls med ett lastspektrum och konstantamplitud, p.g.a. korsande wöhlerkurvor med olika lutningar. I mätningarna visas tydligt att förekommande laster består av ett lastspektrum, i tre olika riktningar. Således borde en provningsmetod med last-spektrum i alla tre riktningarna eftersträvas. Genom en mer verklighetsnära provningsmetod ökar säkerheten vid verifiering av hållfasthet och livslängd hos draganordningar hos motorfordon.