Undersökning av hjulupphängning och styrning till ett fyrhjuligt skotarkoncept Emil Larsson MF2011 Systems engineering Skolan för industriell teknik och management Mars 2009
Sammanfattning Efter i tabell 1 givna krav har hjulupphängning och styrning till ett fyrhjuligt skotarkoncept studerats. Utvecklingsarbetet har skett tillsammans med andra projektgrupper som studerat andra delar av skotarkonceptet, varför komponenter som hjul, hjulmotor och bromsar bestämts av såväl krav från uppgiftslydelsen som andra grupper. För att ta fram en geometrisk lösning för styrning och hjulupphängning användes CADprogrammet Solid Edge. Samma system användes för att bekräfta de krav som ställdes i uppgiftslydelsen. För att analysera hållfastheten och styvheten hos strukturen användes FEM- programmet Ansys. Den valda lösningen torde ur hållfasthetssynpunkt klara kraven, men på grund av utrymmesbrist och andra geometriska problem uppfylldes inte alla krav. Krav Uppfyllt? Numeriskt värde Ramen och hjulupphängningen tillsammans skall väga max 2000kg. Nej - Svängradien får vara max 5,5m. Ja 5,5m Markfrigången skall vara minst 0,5m. Ja 0,75m Fordonet får vara maximalt 2,5m brett. Nej 2,585m Varje hjul skall kunna svänga separat med nollpunktsstyrning. Nej - Fjädringsvägen hos ett hjul skall vara minst 0,45m. Ja 0,51m Tabell 1 visar huruvida de olika kraven för systemet är uppfyllda eller ej, samt de numeriska värdena för de parametrar som har sådana. 1
Innehållsförteckning Sammanfattning 1 Inledning 3 Krav 3 Metod 3 Första konceptet 3 Andra konceptet 5 FEM-analys och beräkningar 7 Resultat 11 Diskussion 14 Slutsats 14 2
Inledning Efter i uppgiftslydelsen definierade krav skall hjulupphängning och styrning till ett fyrhjuligt skotarkoncept studeras. Möjligheterna att styra med så kallad nollpunktsstyrning skall utredas. Utvecklingsarbetet sker tillsammans med andra projektgrupper som studerar andra delar av skotarkonceptet, varför komponenter som hjul, hjulmotor och bromsar bestäms av såväl krav från uppgiftslydelsen som andra grupper. Krav Ramen och hjulupphängningen tillsammans skall väga max 2000kg. Svängradien får vara max 5,5m. Markfrigången skall vara minst 0,5m. Fordonet får vara maximalt 2,5m brett. Varje hjul skall kunna svänga separat med nollpunktsstyrning. Fjädringsvägen hos ett hjul skall vara minst 0,45m. Metod För att undersöka möjligheten att använda sig av nollpunktsstyrning gjordes en CAD-modell av hjulupphängningen med korrekta mått och gränssnitt mot andra delsystem. Därefter reviderades en av interfacekomponenterna varpå steget fick repeteras en gång till. Efter undersökning av geometrin dimensionerades hjulupphängningen med hjälp av överslagsräkning. Hjulupphängningens styvhet och hållfasthet undersöktes vidare i Ansys. För att verifiera de krav som ställdes på svängradie, fjädringsväg, vikt och nollpunktsstyrning undersöktes CAD-modellens geometri ytterligare. Första konceptet Efter att ha byggt en mycket enkel CAD-geometri beskrivande hjulupphängningen kontaktades de grupper som delade interface med hjulupphängning och styrning. Därefter konstruerades hjulupphängning och styrning för en specifik hjulmotor och infästningspunkter mot ramen. Resultatet presenteras kort i figur 1 till 4 nedan. 3
Figur 1 visar en översiktsbild över hjulupphängningen Figur 2 visar hjulupphängningen sedd från sidan med styrningskomponenterna borttagna. Detta för att visualisera fjädringsrörelsen, där de två pendelarmarna 4
roterar kring punkt A och B i figuren. Detta medför att styrningsmekanismen alltid kan hållas i plan med ramen, vilket medför att man kan använda nollpunktsstyrning. Figur 3 visar styrlänkaget uppifrån. Länkarm A roterar fritt kring punkt a och länkarm B roterar fritt kring punkt b, vilket medför att länkarmarna C och D paralellförflyttas och man kan genom rätt infästning mot hjulmotorn använda sig av nollpunktsstyrning. Styrkolv finns inte med i figuren för att underlätta sikten. Koncept ett visade sig sent i utvecklingsskedet inte vara lämpligt när hjulmotorn byttes till en större, ej anpassad för infästning i fälg. Därför påbörjades koncept två. Andra konceptet I andra konceptet gavs tanken om nollpunktsstyrning upp eftersom geometrin hos hjulmotor, fälg och hjul tillsammans med kravet på en maximal bredd av 2,5m inte tillåter något sådant. Däremot behölls kraven om fjädringsväg, svängradie och vikt. Två av de tre kraven uppfylldes relativt enkelt med koncept två, som presenteras kort i figur 4 till 6 5
Figur 4 visar hydraulmotorn som används som hjulmotor i svart. Runtom sitter en svetsad stålkonstruktion som fungerar som adapter mot styrning och fälg. Figur 5 visar hjulupphängningen och styrningen i sin helhet. Det som saknas på bilden är fjädringskomponenterna, som sitter monterade mot ramen och visas i figur 6. 6
Figur 7 visar hjulupphängningen monterad på ramen. Däck och fälg syns inte på bilden för att underlätta sikten. A är stötdämpare och fjäderpaket, B är styrkolven. FEM-analys och beräkningar Eftersom hjulupphängningen endast dimensionerats med hjälp av överslagsräkning och sunt förnuft ansågs en analys av hållfasthet och styvhet vara nödvändig. Analysen genomfördes i ANSYS och presenteras i figur 8 till 13. Inbromsning med 1g acceleration Vid inbromsning med 1g acceleration antas vikten fördelas till 80% på framhjulen, vilket medför att bromskraften för vardera framhjul, F b, blir F b = m g 0,4 = 78, 5kN, där m representerar den fullastade skotarens massa. Bromskraften ansatts till en yta på hjulmotorn med samma avstånd i sidled från ramen som mitten på hjulet, varför ett vridande moment på hjulmotorn också krävs för att så korrekt som möjligt representera det verkliga scenariot. Momentet M b blir då M = F r = 52, knm, där r representerar framhjulets radie. b b 5 Därtill kommer tyngdkraften, som vid maximal inbromsning är lika stor som bromskraften. Vid analys av infästningen för styrkolven ansattes en kraft på 217 kn, som är den hållkraft styrkolven måste klara av vid maximal inbromsning. Om man har 350 bar att tillgå i hydraultryck krävs då en hydraulcylinder med en liten kolvarea på minst 6200mm 2. De krafter som uppkommer i lagringar analyseras ej eftersom val av lager och länkar anses 7
höra till en djupare analys. Figur 8 visar spänningsfördelningen(von Mises) i den roterande massan hos styrningen, också kallad styrramen vid maximal inbromsning. Den högsta spänningen ligger i ett skarpt hörn varför det är rimligt att tro att en mjukare utformad detalj skulle ha en mindre spänning. I detaljen i övrigt överstiger spänningen aldrig 300MPa. 8
Figur 9 visar spänningsfördelningen(von Mises) i pendelarmarna vid maximal inbromsning. Figur 10 visar spänningsfördelningen i tvärstaget i vilket styrkolven infästs vid maximal inbromsning. Resultaten i figur 8 till 10 indikerar att spänningarna är väldigt höga vid maximal inbromsning, men detta scenario antas inte förekomma ofta, om det överhuvudtaget förekommer. Därför antas hjulupphängningen hålla för påfrestningarna som uppstår vid normalt bruk. Nedan följer deformationen i de olika delarna under maximal inbromsning. 9
Figur 11 visar deformationen i styrramen vid maximal inbromsning. En deformation på 3mm får anses som acceptabel. Figur 12 visar deformationen i pendelarmarna vid maximal inbromsning. 10
Figur 13 visar deformationen i tvärstaget i vilket styrkolven infästs vid maximal inbromsning. Deformationen i de olika delarna är över lag liten. Som störst ses en deformation på 7mm i simuleringen av länkarmen. Deformationen i den simuleringen kan inte översättas till något verkligt eftersom styrramen ersatts med en enkel stång. Däremot kan den ses som en indikation på hur pendelarmen deformeras, vilket innebär att fram- och bakhjulen kommer att försöka svänga utåt vid kraftig inbromsning. För att minska denna effekt kan plåten mellan fyrkantrören förtjockas. Vid belastning med enbart tyngdkraft tenderar hjulen inte att svänga något alls. Resultat Nedan presenteras resultaten i punktform där uppfyllandet av varje krav utreds. Ramen och hjulupphängningen tillsammans skall väga max 2000kg. Denna punkt är svår att uppnå enbart genom att konstruera hjulupphängningen, eftersom ramens vikt tillkommer. Totalt sett väger en hjulupphängning, utan hjulmotor och hjul, 428kg vilket anses vara mer än önskvärt. Svängradien får vara max 5,5m. Denna punkt kan översättas till ett krav på minimalt 29 grader snedställning av alla hjul om 11
geometrin hos skotaren analyseras enligt figur 14. Enligt figur 15 nedan uppfylls kravet precis. Figur 15 visar den maximala vinkeln med vilken varje hjul kan snedställas. Markfrigången skall vara minst 0,5m. Enligt figur 16 uppfylls kravet gott och väl. Övrigt att kommentera är att överhängsvinkeln är väldigt låg pga. den låga frontmonterade motorn. Figur 16 visar markfrigången och överhängsvinkeln när hjulupphängningen är i sin normala, av endast tyngdkraften belastade position. 12
Fordonet får vara maximalt 2,5m brett. Enligt figur 17 är kravet uppfyllt sånär som på 85mm. Figur 17 visar att hjullastarens totalbredd är 2585mm, vilket överstiger maxvärdet med 85mm. Varje hjul skall kunna svänga separat med nollpunktsstyrning. Kravet uppfylls inte av den valda lösningen Fjädringsvägen hos ett hjul skall vara minst 0,45m. Enligt figur 18 klarar upphängningen kravet. 13
Figur 18 visar det främre hjulparet i sin högsta position och det bakre i sin lägsta position. Ursprungligen har de båda samma vertikala position, varför man kan se att fjädringsvägen är 514mm. Diskussion Om konceptet skulle analyseras vidare tycks det vara en bra idé att göra hjulupphängningen lite grövre eller omforma den för att den med säkerhet skall klara av de maximala påfrestningarna. Därtill vore det positivt att byta ut hydraulmotorerna i hjulen mot för ändamålet framtagna hjulmotorer med bättre infästningar än nuvarande hydraulmotorer för att underlätta fastspänning mot styrramen. Det nuvarande konceptet har en överhängsvinkel på endast 20 grader, vilket är alldeles för lite för en skotare. Alltså bör en framtida utredning ta upp placeringen av motorn för att tjäna frigång framför framaxeln. Den nuvarande lösningen på styrning möjliggör separat kontrollering av varje hjul, varför skotaren kan åka i en cirkel, eller svänga åt ett håll med alla hjul samtidigt och därför åka snett. Slutsats Nedan följer en enkel tabell över uppfyllandet av kraven för den framtagna lösningen på styrning och hjulupphängning Krav Uppfyllt? Numeriskt värde Ramen och hjulupphängningen tillsammans skall väga max 2000kg. Nej - Svängradien får vara max 5,5m. Ja 5,5m Markfrigången skall vara minst 0,5m. Ja 0,75m Fordonet får vara maximalt 2,5m brett. Nej 2,585m Varje hjul skall kunna svänga separat med nollpunktsstyrning. Nej - Fjädringsvägen hos ett hjul skall vara minst 0,45m. Ja 0,51m Tabell 1 visar huruvida de olika kraven för systemet är uppfyllda eller ej, samt de numeriska värdena för de parametrar som har sådan 14
15