Analys av två timmerredens påverkan på lastbilsram

EXAMENSARBETE 2008:167 CIV Analys av två timmerredens påverkan på lastbilsram Gustav Nordström CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Maskinteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Hållfasthetslära 2008:167 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 08/167 - - SE

Förord Denna rapport avhandlar ett examensarbete utfört vid Luleå tekniska universitet i samarbete med Erlandssons Mekaniska i Luleå. Examensarbetet omfattar 20p under perioden från februari till juli 2008 och avslutar civilingenjörsutbildningen inom maskinteknik vid Luleå tekniska universitet. Jag skulle vilja tacka alla som hjälpt till och varit ett stort stöd under detta examensarbete. Ett speciellt tack till handledare Magnus Eriksson och kontaktperson på Erlandssons Öhrjan Lifbom. Luleå våren 2008 Gustav Nordström

Sammanfattning Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur en lastbilsram påverkas under belastning med två olika timmerreden. Rapporten inleds med en beskrivning av en timmerbils påbyggnad och syfte för att sedan gå vidare med en beskrivning av testfall och avslutas med resultaten från dessa tester. För att kunna göra en jämförelse av ramens belastningar så görs tre simuleringar för varje timmerrede. Vridtest för att undersöka ramens relativa vridstyvhet Spänningstest för att undersöka spänningar i ramen Böjtest för att undersöka ramens relativa böjstyvhet På grund av att det är oerhört svårt att bestämma hjulupphängningens och lastens inverkan på ramen så har dessa förenklats. Det visar sig att mellan de båda timmerredena så är det en väldigt liten skillnad i dessa testfall. Med hänsyn till de resultat som uppkommer vid dessa testfall blir slutsatsen att, en påbyggnad enligt NXT Concept inte antas förändra livslängden för lastbilsramen.

Abstract The goal with this report is to evaluate of the difference between two lumber truck frame configurations with respect to stiffness and strength. The report starts with a description of lumber load frame and its purpose and then moves on to a description of the analysis and ends with a presentation of the results. In order to be able to make a comparison of the truck frame behavior with the two different lumber frames, three different analysis cases are constructed. Torsion analysis to describe the relative torsion stiffness of the two configurations. Stress analysis to evaluate the relative stresses in the truck frame. Bending analysis to evaluate the relative bending stiffness of the two configurations. Because the wheel suspension and effects from the cargo are very difficult to represent in these type of simulations. These factors have been removed and replaced with simplified boundery conditions. These tests show that these two different lumber frames affect the truck frame in a close to identical way. With the results from these analysis a conclusions can be drawn that truck frames with the NXT Concept configuration are expected to have the same life length as a truck frame with a traditional configuration.

Innehållsförteckning Förord...1 Sammanfattning...2 Abstract...3 1 Problemområde...1 1.1 Företagsbeskrivning...1 1.2 Bakgrund...1 1.3 Syfte...2 1.4 Avgränsningar...2 1.5 Mål...2 2 Modellering...3 2.1 CAD...3 2.2 FEM...3 2.3 Modellen...3 2.3.1 Svetsar/nitar/skruvförband...3 2.3.2 NXT Concept...4 2.3.3 Referens rede...4 2.3.4 Analyser...4 3 Resultat...7 4 Diskussion...9 Bilaga 1. Ram...10 Bilaga 2. Svetsar/nitar/skruvförband...11 Bilaga 3. NXT concept...13 Bilaga 4. Referensrede...14 Bilaga 5. Spänningar vid böjning...15

1 Problemområde I detta kapitel behandlas examensarbetets bakgrund, syfte och mål samt problembeskrivning och avgränsningar. 1.1 Företagsbeskrivning Luleås äldsta verkstadsföretag grundades 1917 av Franz Elof Erlandsson. Från att ha varit en lokal smedja har företaget lyckats att följa med i den industriella utvecklingen till en högteknologisk verkstad. I dag är Erlandssons ett företag med hög tekniknivå och med kunder både inom och utanför Sveriges gränser. Företagets viktigaste resurs är de 30 talet medarbetare som dagligen medverkar till att göra företaget snäppet bättre an föregående dag. Erlandssons har beslutat att man vill skapa egna produkter och identifierat timmertransporter som ett bra område att jobba med. Man har i denna anda utvecklat ett nytt timmerrede i höghållfast stål. Användningen av Höghållfast stål har medfört att man har kunnat spara mycket vikt i konstruktionen. Det nya timmerredet har man valt att kalla NXT Concept 1.2 Bakgrund Idag utgörs majoriteten av timmertransporterna av en lastbil och släpkombination. Detta är ett 24 meters ekipage med en begränsad totalvikt på 60 ton. För att kunna lasta timmer så är lastbil och släp utrustade med ett timmerrede. Ett traditionellt timmerrede är en ram som fästs på lastbilen. På denna ram sitter sedan timmerbankar med stöttor samt en framstam, se Figur 1. stöttor framstam Timmerbankar timmerredes ram Lastbilsram Figur 1 Bild av timmerredets delar Då transportsträckorna är väldigt långa så är det fördelaktigt att kunna lasta så mycket timmer som möjligt. Detta medför att timmerbilsförare gör allt de kan för att minska vikten på timmerbilen. Det handlar ofta om att ersätta stål med lättare material t.ex. aluminiumfälgar men även att sätta ett så lätt timmerrede på bilen som möjligt. En annan aspekt som gör det lönsamt att få ner vikten på timmerbilen är att man minskar bränsleförbrukningen för ekipaget på väg till avlägget. 1

På grund av användandet av höghållfast stål så ser Erlandssons timmerrede NXT Concept inte ut som ett traditionellt timmerrede ska göra enligt påbyggarhandboken. Detta har gjort att en del lastbillstillverkare krävt att man gör teoretiska beräkningar av hur lastbilsramen påverkas. Man är från lastbilstillverkarnas sida rädd för att ramen skall börja utsättas för högre belastningar och från Erlandssons sida menar man så inte är fallet. Detta är grunden för examensarbetet. 1.3 Syfte Syftet med examensarbetet är att undersöka av hur NXT Concept påverkar lastbilsramen under belastning jämfört med ett traditionellt timmerrede. 1.4 Avgränsningar Examensarbetet omfattar 3D modellering samt en linjär finit elementanalys av lastbilsram med traditionellt timmerrede och lastbilsram med NXT Concept. 1.5 Mål Målet med examensarbetet är att: Skapa 3D-modell av lastbilsram samt timmerreden Göra linjära FEM analyser av 3D-modellerna Göra en jämförelse av resultaten 2

2 Modellering Här följer lite beskrivningar av vad FEM och CAD är samt hur vissa problem lösts i modellen. Det CAD och FEM program som använts är NX 5.0. 2.1 CAD CAD står för Computer Aided Design och är en typ av programvara som möjliggör 3D modellering. Den stora fördelen med CAD är att man kan bygga upp hela produkter med alla ingående delar. Detta medgör att man kan lättare se hur produkten kommer att fungera, olika problem som kan uppstå samt att eventuella behov av konstruktionsförbättringar kan upptäckas på ett tidigt stadium i produktutvecklingen. 2.2 FEM FEM står för Finita elementmetoden och är en approximativ numerisk metod för olika problem så som, värmeöverförings, strömnings och hållfasthetsproblem. I detta fall rör det sig om hållfasthetsproblem. En FEM modell består av en mesh som ofta byggs up på/av en 3Dmodell från CAD programmet. Alternativt så gör man en ny förenklad modell(utan onödiga hål, radier osv ) som endast används för att kunna skapa en mesh som representerar problemet. Denna mesh är ett rutnät där det i varje knut finns en nod och maskorna i nätet är element. Den numeriska beräkningen går då ut på att beräkna hur de här noderna rör sig i förhållande till varandra när någon nod någonstans i nätet utsätts för en kraft eller rörelse. Med hjälp av dessa förflyttningar så kan man räkna ut spänningar och resulterande krafter mm i varje enskilt element. Detta används för att analysera t.ex. hållfastehen i en produkt under vissa förhållanden. 2.3 Modellen Lastbilsramen består av längsgående balkar med ett antal tvärbalkar mellan dem. Den har modellerats som en ytmodell för att underlätta beräkningar då en solid modell skulle bli alldeles för tidskrävande att analysera. Alla ingående delar har ritats upp för att sedan sättas ihop i en sammanställning. På ytor som riskerar att gå i kontakt med varandra under simuleringen har kontaktpar annsatts. Alla ytor är mittytor, detta för att när man ger ytan en tjocklek i beräkningen så lägger programmet ytan mitt i tjockleken, där av namnet mittyta. Om en ytteryta hade använts i stället skulle materialet hamna halva tjockleken för långt åt den sidan. En extra balk har satts in i ramen mitt över den främre hjulaxeln. Detta för att ha en bit i ramen att ansätta randvillkor på, i alla beräkningar är denna balk rigid. Den ram som använts är en Scania F950 för lastbilar utrustad med luftfjädring, Se bilaga 1. 2.3.1 Svetsar/nitar/skruvförband Det största problemet har varit hur man skall representera nitar och svetsar i modellen. Två olika huvud metoder har testats, couple degrees of freedoms mellan noder samt Edge to surface funktionen i NX. Med couple degrees of freedom så låser man manuellt varje nod till sin partner. Detta ger ett gott resultat i de testanalyser som gjorts, men resultatet har inte varit så pass mycket bättre att det är värt den ökning av arbets och beräkningstid som det skulle innebära på den riktiga modellen jämfört med att använda Edge to surface funktionen. Vid test av Edge to surface funktionen så betedde den sig på ett sätt som är förväntat, se bilaga 2. Därför har Edge to surface använts i de riktiga modellerna. 3

Tvärbalkarna är svetsade i fästöron som i sin tur är nitade i de längsgående balkarna. Öronen har endast fästs med i en kant med edge to surface mot rambalken istället för att ta ut hålbilderna och sedan modellera varje nit, se bilaga 2. Timmerredena sitter fast med skruvförband i lastbilsramen. Hålbilder för dessa är urtagna i skruvförbandsplåten men inte i lastbilsramen eller timmerredet. Detta för att inte få så många hål i modellen som komplicerar modellen. Kanten på hålen är sedan fästa mot lastbilsramen med edge to surface funktionen. Detta har visat sig ge en bra modell av en bult då hålen är relativt små och kanten binder in mot få element i ramen, se bilaga 2. 2.3.2 NXT Concept NXT Concept är det man valt att kalla det lättviktssystem som Erlandssons har tagit fram där timmerredet är en del av det. Detta rede är gjort i höghållfast stål. Den största viktbesparingen ligger i den nya konstruktionen som det höghållfasta stålet möjliggör. Istället för att göra en till hel ram för redet så har man bara gjort tre bitar, en med framstammen, en med första timmerbanken och en med andra timmerbanken. Man har alltså kapat bort tre mellansektioner i timmerredet med tillhörande tvärbalkar, se bilaga 3. 2.3.3 Referens rede För att bestämma vilket timmerrede som skall användas som referensrede så har Lunds åkeri i Granberget utanför Boden kontaktats. Detta företag har ett antal timmerbilar med varierande timmerreden. De har fått frågan vilket timmerrede de tycker är bäst och det är det redet som har använts som referens. Detta rede har mätts upp på deras bil och sedan ritats av, se bilaga 4. 2.3.4 Analyser För att testa hur lastbilsramen påverkas av de olika timmerredena har tre analyser gjorts. På grund av att de verkliga randvilkoren från hjulupphängningarna med luftfjädring är oerhört svåra att återskapa har dessa förenklats. Meningen med analyserna är att kunna göra en jämförelse mellan de båda timmerrederna. Analys ett är en spänningsanalys där en given vridning ansätts på den rigida balken medan bakdelen hålls fast. På detta sätt så kan man jämföra spänningarna i lastbilsramen mellan de två olika redena, se Figur2. 10 graders vridning Figur 2 Randvillkor för spänningsanalys 4

Figur 3 visar låsningen. Ramen är låst i tre noder i den nedre vänstra är låst i alla translationer, övre vänstra i x translation och den nedre högra i z translation. På detta sätt har en låsning som tillåter torrosionskrafter skapats. Figur 3 Låsning Analys två är en vridstyvhetsanalys där den rigida balken hålls fast medan ett symmetriskt kraftpar ansätts längst bak för att skapa ett moment som vrider ramen. Denna vridning får sedan representera ett mått på vridstyvhet. I en jämförelsesituation kan säga vilken ram som är styvare än den andra med hjälp av denna parameter, se Figur4. Låsta translationer och rotationer Figur 4 Randvillkor för vridstyvhetsanalys 5

Analys tre är en nedböjningsanalys där ramens böjstyvhet testas. Denna analys görs för att jämföra lastbilsramens böjstyvhet med de två olika redena på. En last på tjugotvå ton, vilket är fyra tons överlast, har fördelats på de båda timmerbankarna. En linje på den rigida balken är låst i alla translationer medans bakre delen är låst i två translationer (ej x translation), se Figur 5. Låsta translationer, x, y, z Låsta translationer, y, z Figur 5 randvillkor för nedböjningsanalys Denna analys är endast till för att få en jämförelse mellan ramarna. De resultat som kommer att uppstå är inte realistiska då detta fall aldrig kan uppkomma i verkligheten, se bilaga 5 för ett mer realistiskt fall. 6

3 Resultat Här redovisas de resultat som är gjorda med de tre analyserna som grund. Alla jämförelser är gjorda på samma noder och element i de båda modellerna. Spänningsanalysen visar att spänningarna i tvärbalkarna är något lägre med NXT Concept jämfört mot referensrede när ramen utsätts för en vridning på 10 o, se Figur 6, se Tabell 1. 1 2 3 4 5 6 7 Tabell 1 Spänningar från spänningsanalysen balk Spänning [MPa] Element, (max i balken) NXT referensrede 1 383 (424,2) 371,6 (411,2) 2 381,8 (396,8) 405,3 (423) 3 351,1 (377,9) 370,6 (400,6) 4 344,4 (371,1) 363,8 (396,6) 5 105,8 (180,9) 112,9 (174,6) 6 95.5 (110,2) 101,9 (117,4) 7 54 (54) 62.67 (62,67) Figur 6 Balk numrering till spänningsanalys Vridstyvhetsanalysen visar att det är en mycket liten skillnad i vridstyvhet mellan de olika påbyggnaderna. Se Figur 7, Tabell 2 och 3. Analysen har gjorts med tre olika kraftpar för att kontrollera att analysen förblir linjär då kontakter finns med i FEM modellen. Tabell 2 Vridningar från vridningsanalysen balk Vridning [ o ] NXT referensrede 800N 1600N 3200N 800N 1600N 3200N 1 0,5899 1,18 2,36 0,5451 1,09 2,181 2 0,4574 0,9148 1,83 0,4231 0,8463 1,693 3 0,3718 0,7436 1,487 0,346 0,692 1,385 4 0,2453 0,4906 0,9813 0,2304 0,4607 0,9215 5 0,139 0,278 0,556 0,1318 0,2636 0,5271 6 0,1042 0,2084 0,4167 0,09975 0,1995 0,399 7 0,05216 0,1043 0,2086 0,04997 0,0998 0,1999 7

1 2 3 4 5 6 7 Tabell 3 NXT Concepts flexibilitet i procent Skillnad [%] 800N 1600N 3200N 1 7,59 7,63 7,58 2 7,50 7,49 7,49 3 6,94 6,94 6,86 4 6,07 6,09 6,09 5 5,18 5,18 5,20 6 4,27 4,27 4,25 7 4,20 4,31 4,17 Figur 7 Balknumrering till vridstyvhetsanalys Från Tabell 3 kan man se att analysen förblir linjär vilket tyder på att kontaktytorna inte aktiveras nämnvärt. Böjstyvhetsanalysen visar att NXT redet är 21% flexiblare än referensredet. Detta är väntat då NXT redet inte är en helt längsgående ram, se Figur 8 och Tabell 4. Tabell 4 Nedböjning från nedböjnings analysen Balk Nedböjning [mm] 1 NXT referensrede 1 71.31 56.08 Figur 8 Balk numrering till böjanalys 8

4 Diskussion Spänningsanalysen visar att NXT har lägre spänningar i tvärbalkarna (~6%) jämfört mot referensredet. Detta är endast positivt och beror troligen på att lastbilsramen blir mjukare då NXT inte är ett helt rede över hela lastbilsramen. Således tillåts lastbilsramen att röra sig mer på de sträckor som är helt rena från balkar och rede jämfört mot lastbilsramen med referensrede. De data som presenterats är dels från ett element som är samma i båda fallen och dels maxspänningarna i balken. Vridstyvhetsanalysen visar att NXT är upp till 8% mjukare än referensredet. Detta är ingen skillnad som kan anses vara markant. Det bör göra lastbilen något mer följsam efter vägen. Det visar sig att referensredet vrider sig mer jämt än NXT redet. Detta beror på att referensredet har ett jämnare tvärsnitt över hela lastbilsramen. NXT redet vrider sig på ett mindre jämt sätt, mer på vissa sällen och mindre på andra, och det är nog detta som gör att spänningarna i krysset och en tvärbalk, 1 och 5 i Figur 6, blir lite högre. Detta skulle nog kunna åtgärdas om NXT redet fick två fästen liknande referensredets som möjliggör en rörelse längsefter lastbilsramen, se bilaga 4. Detta skulle göra NXT redet mindre styvt under bockarna och på så sätt ge en mer jämn vridning och där med ett bättre resultat. Böjstyvhetsanalysen visar att NXT är mjukare än referensrede (~21%) men de siffror som visas kommer aldrig att uppstå på grund av att bilen står på bakhjulen och inte upphängd längst bak som i analysen. Spänningarna i denna analys är stora i de längsgående rambalkarna, uppemot 450MPa, se bilaga 5, och något snällare utspridning i referensredet, men inte relevanta då dessa randvillkor är extrema och knappast realistiska i ett verkligt fall. Det korskryss som sitter längst bak i lastbilsramen är ett kryss som hör till NXT och det sitter ett annat mindre kryss i den riktiga lastbilsramen med referensredet. NXT krysset har använts i båda fallen för att underlätta modelleringen samt ge en identisk lastbilsram i alla analyser. De analyser som är gjorda är koncentrerade på tvärbalkarna då det visat sig att det är dessa som tar mest skada i de genomförda analyserna. Jag hade väntat sig att det skulle vara större spänningar och påfrestningar i/vid tvärbalken vid växellådan (balk 7 i Figur 5 och 6), för att detta ser ut att vara en naturlig brytpunk mellan lasten och hytten. Att dessa spänningar, om de existerar, har uteblivit kan kopplas till att lastens påverkan av ramen inte har tagits med. Då lastens påverkan av ramen är ett problem som borde ha praktiska mätningar som grund för att kunna skapa en bra modell. Det visar sig att mellan de båda timmerredena så är det en väldigt liten skillnad i dessa testfall. Med hänsyn till de resultat som uppkommer vid dessa testfall blir slutsatsen att, en påbyggnad enligt NXT Concept inte antas förändra livslängden för lastbilsramen. Med ett NXT timmerrede kan timmerbilen bli väsentligt lättare utan att påverka bilens egenskaper på något negativt sätt. Detta medför stora ekonomiska fördelar då bilen drar mindre bränsle då den går tom samt att timmertransporterna blir kostnadseffektivare. 9

Bilaga 1. Ram Ram medtvärbalkar. Tvärbalkar med öron Denna balk längst fram existerar inte i den verkliga bilen. Denna balk är endast ditsatt för att ha en bit att ansätta randvillkor på. Den sitter mitt över främre hjulaxeln och får symbolisera motorpaket mm som sitter där i den riktiga ramen. Anledningen till att den ser ut som den gör är att den har bra linjer som lätt går att använda för randvillkor. I FEMmodellen är den gjord till en rigid balk. 10

Bilaga 2. Svetsar/nitar/skruvförband Test bit för att testa hur edge to surface funktionen skulle bete sig. I första testet är botten plattan fast i två kanter medans den övre plattan dras uppåt i två kanter. Det förväntade resultatet är att både plattorna och svetsen skall l böja sig. Resultatet av första testet visar att biten beter sig som förväntat. Båda plattorna böjer sig på ett rimligt sätt. Dock verkar kanten styvare än förväntat, men det är fortfarande ett tillräkligt bra resultat för att de skall fungera i den slutgiltiga modellen Test två var att verkligen verifiera att linjen som används i edge to surface funktionen kan böja sig. Både den över och nedre plattan är fasta i högersidan medan den övre plattan dras uppåt i den vänstra sidan. De längsgående kanterna i den övre plattan är fästa med den undre plattan. 11

Resultatet av test två visar att linjen verkligen kan böja sig på ett förväntat sätt Denna bild visar hur balkar och öron sitter i ramen. Tvärbalken sitter fast i örat med en pluggsvets. Örat sitter i verkligheten fast med nitar i den längsgående ramen men modellen har förenklats med att fästa två kanter på örat mot den längsgående balken med edge to surface funktionen. Bilden visar hur skruvförband ser ut i modellen. Kanten på skruvhålen är fästa mot ytan bakom dem. I och med att FEM nätet på plattan är mycket mindre än nätet på rambalken så kommer flera närliggande noder på kanten att låsa mot samma element. Det gör att kanten blir riktigt stel och simulerar en bult på ett bra sätt. Skruvförbandsplattan är svetsad mot redet på NXT medan den är skruvad på referens redet. 12

Bilaga 3. NXT concept Modell av NXT Concepts huvuddelar, framstam och timerbanksplatser. Stolpar och själva timmerbankarna har rationaliserats bort från modellen då dessa inte har någon påverkan för resultatet. De bitar som timmerbankarna sitter på kallas för bockar. 13

Bilaga 4. Referensrede Fäste som möjliggör glidning Referensredet sitter fast med skruvförband i de fyra bakre hålbilderna. I de tre främre hålbilderna sitter ett fäste som möjliggör att redet kan glida på ramen. Detta för att minska påfrestningen på trimmerredet. Framstammen har tagits bort och ersatts med en bit som ser ut som framstammen gör just där. Funktionen som denna del har antas vara likvärdig med vad den riktiga framstammen skulle ge för de tester som är gjorda. 14

Bilaga 5. Spänningar vid böjning Spänningarna i ramen är ca 450MPa under böjanalysen. Dessa spänningar är höga och orealistiska då randvillkoren inte representerar ett verkligt lastfall. Spänningar i ramen med NXT redet på. 15

Spänningar i ramen med referensrede redet på. 16

För att få en mer realistisk bild av spänningarna i ramen under böjning gjordes följande analys. Det är en böjningsanalys men randvillkoren är: låst translatrioner på den rigida balken, låst två translationer i den främre bakhjulsinfästningen samt samma last(elva ton/ timmerbank) som i den första böjningsanalysen. Detta är tänkt att simulera ett fall där bilen är fullt lastat med hissad boggi, alltså lastbilen står bara på det främre bakhjulsparet. Främre bakhjulsinfästning Villket ger detta resultat. Visar att det finns runt 250MPa i ramen som kan jämföras mot 450MPa i det tidigare fallet. 17