Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik, 180 hp
Vt 2020
KONCEPT FÖR ÖKAD BÄRFÖRMÅGA HOS
SPÄNNHJUL PÅ BANDVAGN
Concept for increased load carrying capability of a tension wheel used on
tracked all-terrain vehicles
Erik Sikström
i
Förord
Denna rapport markerar slutet av mina tre år på högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har utförts på BAE Systems Hägglunds i Örnsköldsvik och omfattar 15 hp.
Jag vill tacka mina handledare på Hägglunds, Göran Westman och Fredrik Olofsson, som har hjälpt mig med mina funderingar under arbetets gång; Leif Johansson vid Umeå Universitet som har gett mig synpunkter gällande rapportens utformning och innehåll; Mikael Brunnström från Origon Utveckling AB som svarat på mina frågor om gjutning och produktionsteknikerna Mattias Byström och Isak Nyström för att de tog sig tid att undersöka om hjulen skulle gå att bearbeta.
Erik Sikström Bjästa, juni 2020
ii
Sammanfattning
Spännhjulen på den av BAE Systems Hägglunds tillverkade midjestyrda bandvagn BvS10 har nått sin belastningsgräns, eftersom vagnens vikt numera uppgår till 16 000 kg. I det här arbetet undersöks om det skulle vara möjligt att tillverka ett hjul dimensionerat för 17 000 kg, utan att ändra hjulets diameter, lagring eller bandstyrning. Eftersom hjulet även borde gå att använda som bärhjul tas viss hänsyn till att vikten bör hållas nere. Huvudspåret för undersökningen är att hjulen ska gjutas i aluminium och därför görs försök att utforma geometrin för att utnyttja gjutmetodens fördelar till fullo. Relevanta lastfall tas fram för hjulen som sedan beräknas med hjälp av finita element-metoden för att undersöka om de besitter tillräckliga hållfasthetsegenskaper. Undersökningen visar att det borde gå att tillverka aluminiumhjul som kombinerar tillräcklig hållfasthet med de geometriska kraven, som dessutom inte behöver väga mer än nuvarande hjul. Hjulens slutgiltiga design är relativt simpel vilket öppnar upp för möjligheten att svarva fram hjulen istället för att gjuta dem.
iii
Abstract
The tension wheel on the BAE Systems Hägglunds BvS10 has reached its load carrying limit. The cause of this is the current vehicle weight now reaching 16 000 kg. This report examines the possibility to increase the load carrying capability of the tension wheel so that it will withstand the forces applied from a vehicle weighing 17 000 kg. No changes are to be made regarding the wheels outer diameter, bearing or track guide. The wheel should also be able to see use as a road wheel, which means that the weight of the wheel should be held at a minimum. The primary approach is to make the wheel out of cast aluminium. This dictates that efforts should be made to take full
advantage of the benefits of different casting methods, when designing the wheel geometry. Finite element analysis for relevant load cases is performed on the wheels to see if they possess the required mechanical properties. The results indicate that it is possible to produce aluminium wheels that combine sufficient mechanical strength with the geometrical requirements. The study also shows that the weight of these wheels would be comparable or only slightly higher than the weight of the current wheels. The final design of the wheels suggested is relatively simple, which provides the possibility to produce it using lathe machining instead of casting.
iv
Innehållsförteckning
1 Bakgrund ... 1
1.1 Företaget ... 1
1.2 Bandvagnen BvS10 ... 1
1.3 Problemställning ... 2
1.4 Syfte ... 2
1.5 Mål ... 2
1.6 Kravspecifikation ... 3
1.6.1 Produktkrav ... 3
1.6.2 Projektkrav ... 3
1.6.3 Avgränsningar ... 3
1.7 Planering ... 3
2 Teori ... 4
2.1 Nomenklatur... 4
2.2 Utmattning ... 4
2.3 Materialutnyttjande vid gjutning ... 6
2.4 Material ... 7
2.5 Gjutning ... 8
2.6 Finita elementmetoden ... 9
2.7 Programvara ... 9
2.8 Nuvarande spänn-/bärhjul ... 10
2.9 Lastfall ... 11
3 Genomförande... 13
3.1 Lastfall ... 13
3.2 Konceptframtagning/3D-modellering ... 13
3.3 Beräkningar med finita elementmetoden ... 14
3.4 Jämförandetal och säkerhetsfaktor... 15
3.5 Produktionsmetod ... 16
3.5.1 Gjutning ... 16
3.5.2 Bearbetning ... 17
3.6 Materialval... 17
3.7 Val av koncept/slutgiltigt produktionsförslag ... 17
4 Resultat ... 18
4.1 Tillverkningsmetod ... 18
4.1.1 Kommentarer från gjutspecialisten ... 18
v
4.1.2 Kommentarer från produktionstekniker inom bearbetning ... 18
4.2 Slutgiltiga produktionsförslag... 18
4.2.1 Solitt rotationssymmetriskt hjul ... 19
4.2.2 Solitt rotationssymmetriskt hjul med viktkrav ... 20
4.2.3 Delat hjul med aluminiumfälg – fastskruvad framifrån... 21
4.2.4 Delat hjul med plåtfälg – fastskruvad bakifrån ... 22
4.3 FE-beräkning, jämförandetal och säkerhetsfaktor ... 23
4.4 Avvecklade koncept ... 24
5 Diskussion ... 25
5.1 Koncepten ... 25
5.2 Bandstyrning ... 25
5.3 Tillverkningsmetod ... 26
5.4 Material ... 26
5.5 Temperaturkänslighet och hållfasthet ... 26
5.6 FE-beräkning och lastfall ... 27
5.7 Belastningen av ett spännhjul i förhållande till ett bärhjul ... 27
5.8 Synpunkter på projektet ... 28
5.9 Rangordning av koncepten ... 28
5.10 Slutsats och rekommendationer för fortsatt arbete ... 28
6 Referenser ... 29
Bilaga 1 – bilder från FE-beräkning av solitt rotationssymmetriskt hjul ... B1 Bilaga 2 – bilder från FE-beräkning av solitt rotationssymmetriskt hjul med viktkrav ... B2 Bilaga 3 – bilder från FE-beräkning av delat hjul med aluminiumfälg ... B3 Bilaga 4 – bilder från FE-beräkning av det nuvarande plasthjulet ... B41
1 Bakgrund
1.1 Företaget
BAE Systems Hägglunds i Örnsköldsvik har en verksamhet som främst inriktar sig på utveckling, tillverkning och support av militära fordon. Företaget är en del av den
internationella försvarskoncernen BAE Systems. Nuvarande produktportfölj består av bland annat stridsfordon 90 och bandvagnen BvS10.
1.2 Bandvagnen BvS10
Hägglunds har tillverkat midjestyrda bandvagnar i över 40 år och man har under denna period hunnit sälja mer än 12 000 exemplar världen över. Denna siffra inkluderar alla varianter från den tidiga Bv206 till den senaste modellen BvS10 [1].
BvS10 är ett pansarskyddat, amfibiskt bandfordon som består av en fram- och en bakvagn. Fram- och bakvagn binds ihop med hjälp av ett styrdon, detta styrdon har i uppgift att verka som en led mellan vagnarna och vinkla dem i förhållande till varandra. Bandvagnen styrs genom att vagnarna vinklas i horisontalled och de kan även vinklas vertikalt för att lättare ta sig förbi hinder i terrängen.
Bandvagnens uppgift är att transportera personal och materiel över svår terräng där andra fordon har svårt att ta sig fram. BvS10 finns även i en civil variant som kallas BvS10 Beowulf.
2
1.3 Problemställning
Den av Hägglunds tillverkade midjestyrda bandvagn BvS10 har fyra identiska bandställ där banden rullar på fem par bärhjul per bandställ. I änden av bandstället länkas bandet runt ett par spännhjul som är identiska med bärhjulen. Dessa spännhjul är idag tillverkade av sintrad termoplast (UHMWPE) och har nått sin belastningsgräns då vagnens vikt numera uppgår till 16 000 kg fördelat på dessa 4 bandställ.
Fordonet ska enligt kravspecifikation klara temperaturer från -46°C till +49°C. När vagnen körs snabbt i ökenklimat så kan temperaturen i bandsystemet uppgå till mer än 55–60 grader. Som en
konsekvens av detta har vissa kunder uppmärksammat förkortad livslängd på hjulen på vissa positioner i bandstället.
Figur 1. Bandställ sett från vänster.
1.4 Syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka möjligheten att inom bibehållen diameter, genom material- och/eller konceptbyte, erhålla större bärförmåga för spännhjulet.
1.5 Mål
Målet är att det vid projektets slut ska finnas koncept för nya spännhjul som klarar kraven i kravspecifikationen. Detta ska uppnås genom följande delmoment:
• Analys av lastfall för spännhjulet vid en vagnsvikt av 17 000 kg.
• Konceptutkast för några olika utföranden (integrerad lagring likt dagens utförande, alternativt med löstagbar fälg).
• Analyser av olika tänkbara material.
• Hållfasthetsberäkning med FEM-programvara.
• Analys av produktionsmetoder anpassade till en seriestorlek på 1 000 artiklar per år.
• Konstruktionsförslag.
3
1.6 Kravspecifikation
1.6.1 Produktkrav• Spännhjulet ska klara:
O En vagnsvikt av 17 000 kg
O Temperaturer inom intervallet -46 C till +49°C enligt fordonets kravspecifikation.
O Förhöjd temperatur i bandsystemet under extrema förhållanden, minst 60°C, utan oacceptabelt förkortad livslängd
• Hjulen ska ha samma diameter som tidigare version
• Förslag på produktionsmetod ska läggas fram 1.6.2 Projektkrav
• En preliminär rapport ska vara inlämnad senast 21/5
• Arbetet ska vara redo att presenteras vecka 23
• Arbetet bör utföras till större delen på plats hos BAE Systems Hägglunds 1.6.3 Avgränsningar
• Hjulen ska använda samma lagring som tidigare
• Bandstyrningens utformning och dimensioner ska vara samma som tidigare
• Arbetets tidsbegränsning förordar en huvudsaklig inriktning mot gjutna aluminiumhjul.
Att denna avgränsning görs redan från början medger att en större del av tiden kan användas till design och dimensionering av hjulen.
• Projektets huvudmål är att ett nytt spännhjul ska tas fram, men det bör även tas hänsyn till att det skulle kunna gå att använda som bärhjul. Detta innebär att hjulens vikt bör hållas nere samt att hållfasthetsberäkningarna i vissa fall kan behöva anpassas.
1.7 Planering
Tidsplanen för projektet syns i figur 2.
Figur 2. Gantt-schema
4
2 Teori
2.1 Nomenklatur
Inom hållfasthetsläran finns en del uttryck att hålla redo på, här ges en beskrivning av några som förekommer i denna rapport.
Effektivspänning enligt Von Mises (ekv. 1) beräknas vid fleraxligt spänningstillstånd och ersätter de enskilda spänningarna med en enda, som kan användas för jämförelse med materialets mekaniska egenskaper.
Effektivspänning enligt Von Mises [2]:
𝜎𝑒𝑉.𝑀.= √𝜎𝑥2+ 𝜎𝑦2+ 𝜎𝑧2− 𝜎𝑥𝜎𝑦− 𝜎𝑦𝜎𝑧− 𝜎𝑧𝜎𝑥+ 3𝜏𝑥𝑦2 + 3𝜏𝑦𝑧2 + 3𝜏𝑧𝑥2 (1) där 𝜎𝑥,𝑦,𝑧 är normalspänningar i riktningarna x, y och z, och 𝜏𝑥𝑦,𝑦𝑧,𝑧𝑥 är skjuvspänningar i planen xy, yz och zx.
Sträckgränsen Re är gränsen mellan elastisk och plastisk töjning. Vid belastning över sträckgränsen börjar materialet flyta och bestående plastisk deformation uppstår.
Resttöjningsgränsen Rp0,2 anges för material utan tydligt flytområde, resttöjningsgränsen definieras som den spänningsnivå som materialet måste belastas till för att erhålla en plastisk deformation på 0,2 % efter avlastning. Kallas ofta för 0,2-gräns eller som i denna rapport; sträckgräns.
Brottgränsen Rm är den gräns som ska överskridas för att ett material ska gå till brott.
Utmattningsbrottgränsen σN är den maximala spänningen som ett material kan belastas med vid ett givet antal lastcykler, utan att gå till brott.
Kälverkan kallas det när spänningskoncentrationer uppstår på grund av plötsliga
tvärsnittsförändringar [3]. Dessa tvärsnittsförändringar kan bland annat bestå av kälar, hål, kilspår eller sprickor och man måste ta hänsyn till dessa vid hållfasthetsberäkningar, framför allt vid utmattningspåkända konstruktioner. Ett annat ord för kälverkan är anvisningsverkan och tvärsnittsförändringen kallas ofta för en brottanvisning.
2.2 Utmattning
När en konstruktion utsätts för spänningar som varierar över tid kan det efter ett visst antal spänningscykler uppstå utmattningsbrott i materialet [3].
Utmattningsfenomenet beror på gradvis tillväxt av sprickor på grund av de spänningskoncentrationer som uppstår i sprickspetsen, när sprickan har växt sig tillräcklig stor uppstår haveri vid nästföljande lastcykel. För att en initiering av sprickan ska vara möjlig krävs en brottanvisning, därför är
ytjämnheten och förekomsten av defekter i materialet viktiga faktorer för utmattningspåkända detaljer. Utmattningsprocessen drivs av spänningsomfånget, därför ska man undvika alla former av spänningskoncentrationer i områden med höga nominella spänningar.
Eftersom utmattningsbrottgränsens storlek ofta bara är en bråkdel av den statiska brottgränsen måste en uppskattning gällande utmattningens påverkan göras hos alla dynamiskt belastade
konstruktioner. Först måste man identifiera vilken typ av belastning som gäller och vad de maximala spänningarna är. Två specialfall finns, växlande och pulserande belastning (fig. 3).
Dimensioneringsvillkoret (ekv. 2) anger att den maximala spänningen inte får överstiga
utmattningsbrottgränsen. Vid växlande belastning är den maximala spänningen densamma som spänningsamplituden och vid pulserande belastning är den maximala spänningen lika med två amplituder (fig. 3) [3].
5 Dimensioneringsvillkoret för utmattningsberäkning kan skrivas som:
𝜎𝑢−𝑡𝑖𝑙𝑙≥ 𝜎𝑚𝑎𝑥 (2) där 𝜎𝑢−𝑡𝑖𝑙𝑙 är den högsta tillåtna utmattningsspänningen och 𝜎𝑚𝑎𝑥 den högsta spänningen som uppkommer i materialet.
Figur 3. Växlande- och pulserande belastning [3].
För att kunna uppskatta vilken spänning ett material klarar vid ett visst antal lastcykler används tabeller och diagram som tagits fram med hjälp av omfattande prover av olika material i varierande tillstånd. Det finns många olika varianter av diagram och metoder att använda dem.
I figur 4 visas till exempel ett diagram över ”reduktionsfaktor ϒ” för AlZn4Mg(SS-al 4425).
Reduktionsfaktorn utläses direkt ur diagrammet om antalet lastcykler och belastningstyp är kända, faktorn multipliceras sedan med materialets brottgräns för att erhålla utmattningsbrottgränsen.
Division med säkerhetsfaktor och eventuell anvisningsfaktor görs för att få fram maximal tillåten spänning (ekv. 3) [4].
Ekvationen för beräkning av tillåten utmattningsspänning kan skrivas som:
𝜎𝑢−𝑡𝑖𝑙𝑙=𝛾∗𝑅𝑚
𝑠∗𝐾𝑓 (3) där 𝛾 är ”reduktionsfaktorn 𝛾”, 𝑅𝑚 är materialets brottgräns, 𝑠 är säkerhetsfaktorn och 𝐾𝑓
anvisningsfaktorn.
Figur 4. Reduktionsfaktor ϒ för AlZn4Mg(SS-al 4425) [4].
6
2.3 Materialutnyttjande vid gjutning
Vid konstruktion av gjutgods bör man utnyttja gjutningens fördelar när det gäller formgivning, genom att placera ut förstyvningar och förlägga materialet där det gör mest nytta [5]. Förstyvningar hos böjbelastat gjutgods kan utformas så att man, istället för att ha samma tvärsnittshöjd överallt, placerar ut förstyvande väggar (fig. 5). Med förstyvande väggar utnyttjar man att material på höjden ökar böjmotståndet mer än material på bredden (ekv. 4).
Böjmotstånd hos en rak balk med rektangulärt tvärsnitt kan skrivas som [4]:
𝑊 =𝑏ℎ2
6 (4) där 𝑏 är tvärsnittets bredd och ℎ dess höjd.
Figur 5. Tvärsnitt utan (t.v.) och med (t.h.) förstyvningsväggar.
Vidare kan man genom att placera materialet där det gör mest nytta, se till att erhålla jämnare spänningar i konstruktionen, och därmed spara vikt. Detta kan illustreras med en balk utsätts för böjande belastning (fig. 6). De maximala normalspänningarna vid böjning av en balk beror på vilket kraftmoment som uppnås och vilket böjmotstånd balken har (ekv. 5) [4].
Den maximala normalspänningen vid böjning kan skrivas som:
𝜎𝑚𝑎𝑥= ±𝑀
𝑊 (5) där 𝑀 är kraftmomentet och 𝑊 böjmotståndet.
Kraftmomentets storlek är i sin tur beroende av kraftens storlek och hävarmens längd (ekv. 6):
𝑀 = 𝐹 ∗ 𝑙 (6) där 𝐹 är kraften och 𝑙 är hävarmens längd.
Böjmotståndet är beroende av tvärsnittets utformning enligt (ekv. 4).
Sambanden ovan visar att om en balk är fast inspänd i ena änden och påverkad av en konstant punktkraft i den andra, så kommer kraftmomentet öka med hävarmens längd ju närmare den fast inspända änden man kommer. Är balkens tvärsnitt homogent längs hela dess längd innebär detta att böjmotståndet är detsamma hela vägen och därmed kommer den maximala spänningen att öka med kraftmomentet. Om man på en balk av samma längd låter höjden smalna av mot den fria änden, så kommer böjmotståndet variera längs dess längd. Anpassar man tvärsnittet och därmed
böjmotståndet till det moment som verkar just där, så kan maxspänningen hållas konstant längs balkens längd.
7
Figur 6. Spänningsfördelning balkar med homogent (t.v.) och anpassat (t.h.) tvärsnitt.
2.4 Material
Polyeten (PE) är en delkristallin termoplast [4].
Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) är en typ av polyeten-plast med mycket långa molekylkedjor. UHMWPE är ett starkt material, även vid låga temperaturer, och har ett bra motstånd mot abrasiv nötning [6]. UHMWPE används till stor grad inom den medicintekniska industrin för att tillverka implantat i form av bland annat knäleder. Man utnyttjar då materialets goda
biokompatibilitet, kemiska beständighet och dess låga friktionskoefficient [7].
Tabell 1. Egenskaper hos Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
Värde Ref.
Styvhet, E [GPa] 0,907 [8]
Densitet, ρ [kg/dm3] 1,007
Poissons tal, ν 0,15
Sträckgräns, Re [MPa] 20,5
Brottgräns, Rm [MPa] 28,1
Värmeledningsförmåga, λ, längs fiberriktning, [W/m*K] 22,5 [9]
Smältpunkt [°C] 130-136 [6]
Drifttemperatur, max [°C] 120
Drifttemperatur, kontinuerlig [°C] 90
Aluminium är en metall som är lätt att forma, har låg densitet och mycket god
korrosionsbeständighet. Grundämnet aluminium har låg hållfasthet men denna förbättras genom legering med koppar, kisel, magnesium, mangan och krom [4]. Tabell 2 visar några generella
egenskaper hos aluminium. Jämfört med andra gjutlegeringar uppvisar aluminiumgjutlegeringar stor mångsidighet och i de flesta fall de bästa gjutegenskaperna. Bland annat har aluminium god
flytbarhet för fyllning av tunna sektioner, låg smältpunkt och god värmeledningsförmåga mellan smälta och form. Många aluminiumgjutlegeringar är också förskonade från hög känslighet för varmsprickor [10].
Tabell 2. Generella egenskaper hos aluminium.
Värde Referens
Styvhet, E, legering [GPa] 70 [4]
Poissons tal, ν, legering 0,33
Värmeledningsförmåga, λ, grundämne [W/m*K] 200
Smältpunkt, grundämne [°C] 660 [11]
8 Tabell 3 nedan innehåller mekaniska egenskaper hos ett antal olika aluminiumgjutlegeringar.
Tillståndsbeteckningen anger vilken gjut- och härdmetod som använts.
Tabell 3. Mekaniska egenskaper hos ett antal aluminiumgjutlegeringar.
Beteckning Tillstånd* Sträckgräns Rp0,2 [MPa]
Brottgräns Rm [MPa]
Densitet ρ [kg/dm3]
Referens
EN-AB 46500 DF 140 240 2,75 [12]
EN-AB 47100 DF 140 240 2,65
EN-AC 43100 ST6 180 220 2,65
KT6 220 260 2,65
EN-AC 43200 ST6 180 220 2,65
KT6 200 240 2,65
EN-AC 46400 KT6 235 275 2,65
*) D = pressgjutgods, S = sandgjutgods, K = kokillgjutgods. F = göt, T6 = värmebehandlat
Det finns fler egenskaper att ta hänsyn till vid val av legering, i tabell 4 nedan sammanfattas några av dem.
Tabell 4. Kompletterande egenskaper hos ett antal aluminiumgjutlegeringar.
Beteckning Korrosions- beständighet*
Flytbarhet* Beständighet mot varmsprickor*
Skärbarhet* Referens
EN-AB 46500 D B B B [12]
EN-AB 47100 C A A C
EN-AC 43100 C A A B/C
EN-AC 43200 C A A B/C
EN-AC 46400 D B B B
*) A = Utmärkt, B = Bra, C = Tillfredsställande, D = Inte att rekommendera, E = Olämplig
2.5 Gjutning
Följande fakta om gjutning är en sammanfattning av relevanta delar ur Gjuteriteknisk handbok [5].
Vid gjutning hälls smält metall ner i en form där den får stelna. Formen kan vara av permanent typ vilket innebär att samma form används flera gånger, eller så används en engångsform. Fördelen med gjutning är att komplicerade geometrier kan framställas på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.
Detta ger bland annat konstruktören stor frihet att öka hållfastheten i relation till vikt med hjälp av topologioptimering eller väl placerade förstyvningar. Komplicerade detaljer som i annat fall skulle behöva tillverkas genom sammanfogning av flera delar kan i många fall ersättas av ett homogent gjutgods.
Val av gjutmetod grundar sig på en mängd olika kriterier, bland annat material, seriestorlek, krav på ytjämnhet samt gjutgodsets utformning och storlek. Några vanliga alternativ som lämpar sig för olika kriterier är sandgjutning, pressgjutning och kokillgjutning.
Sandgjutning är som namnet antyder en metod där gjutformen är tillverkad av sand. Det är den vanligaste metoden vid användning av engångsform. Gjutgodsets ytjämnhet beror på sandens finhet, sandgjutet gods får i regel en relativt grov yta. Metoden lämpar sig för kortare serier.
Vid pressgjutning pressas smältan in i formen under högt tryck. Metoden lämpar sig bäst för tunnväggigt gods med jämn godstjocklek. Ytjämnheten blir mycket fin. Verktyget är av permanent typ och består av två eller tre delar. Verktygen är kostsamma att framställa och metoden lämpar sig därför bäst för stora serier.
9 Vid kokillgjutning används gravitationen eller lågt tryck för fyllning av formen. Kokillerna är
permanenta och tillverkas i stål eller gjutjärn medan kärnorna kan vara både permanenta och tillverkade av sand. Kokillgjutning kan ses som ett mellanting mellan sand- och pressgjutning i flera hänseenden, bland annat seriestorleken och ytjämnheten placerar sig mellan sandgjutningens och pressgjutningens.
Vid konstruktion av gjutna detaljer bör följande beaktas:
• Släppningsvinklar måste finnas för att gjutgodset enkelt ska kunna släppa från gjutformen
• Ska gjutgodset efterbearbetas måste extra gods tillföras ytan för att erhålla en bearbetningsmån
• För att få en så låg verktygskostnad som möjligt bör inre håligheter undvikas, vid användning av fasta verktyg så bör man sträva efter att bara behöva använda två formhalvor
• Gjutgodset bör ha en så jämn godstjocklek som möjligt så att smältan stelnar i en jämn takt, annars riskeras gjutdefekter i form av sugningar och porösiteter
• Invändig radie bör ha samma radie som väggtjockleken o För liten radie försämrar hållfastheten
o För stor radie innebär godsanhopning med risk för sugning och porösiteter
• Vid pressgjutning kan väggtjocklekar mellan 0,8-3 mm tillverkas
o För små väggtjocklekar kan leda till ojämnheter i gjutgodset och i smältans utbredning
o För stora väggtjocklekar kan leda till sugningar, överhettning av formverktyget och förvrängning av gjutgodset
• Väggar bör inte placeras för nära varandra då de fördröjer varandras stelnande.
Inre spänningar kan också uppstå som riskerar att orsaka vridningar eller sprickor.
Avståndet mellan väggarna bör överstiga tio väggtjocklekar.
• T-sektioner bör utformas så att de blir termiskt neutrala.
2.6 Finita elementmetoden
Finita elementmetoden (FEM) används för att lösa linjära partiella differentialekvationer.
FEM används bland annat för hållfasthetsberäkningar och är för detta den totalt dominerande metoden [13].
Förenklat kan man säga att metoden går ut på att beräkningsobjektet delas upp i ett stort antal element med enkel geometrisk form, ur vilka man med hjälp av enkla kraft-förskjutningssamband beräknar hela strukturens egenskaper. Elementen bildar ett nät som kallas ”mesh”. Till elementen hör ett antal noder för vilka förskjutningarna vid en viss kraft beräknas med hjälp av matriser, ur dessa förskjutningar beräknar man sedan vilka spänningar som uppstår i noderna. Generellt så är principen sådan att fler noder per element och mindre elementstorlek ger mer exakta resultat, nackdelen är att beräkningstiden ökar ju fler noder man har. Paraboliska element är bättre än linjära då paraboliska har fler noder och lättare kan anpassa sig efter kurvor i geometrin. Resultaten
”konvergerar underifrån” vilket innebär att spänningarna underskattas om elementnätet är för grovt eller fel utformat [13].
Beräkningar med finita element-metoden är ännu inte helt integrerad i modelleringsprocessen eftersom konstruktörer och beräkningsingenjörer ofta använder sig av olika program. Denna uppdelning gör att produktutveckling tar längre tid och kostar mer pengar än nödvändigt [14].
2.7 Programvara
För 3D-modellering och FE-beräkning används programmet Catia V5-6R2015.
Catia är ett CAE-program som innehåller, bland annat, moduler för CAD och FEM.
10 Detta innebär att FE-beräkningar kan utföras löpande under modelleringsarbetet utan att modellen måste exporteras till ett annat program.
FEM-modulen innehåller både pre- och postprocessor samt verktyg som gör det möjligt att beräkna sammanställningsmodeller. Verktygen består bland annat av simulerade kontaktytor och
skruvförband som kan definieras för modellen. I FEM-modulen kan programmet själv anpassa elementens storlek och form efter geometrin, utan att användaren behöver be om det. Spänningar presenteras som effektivspänning enligt Von Mises.
2.8 Nuvarande spänn-/bärhjul
Idag är det samma hjul som används både som spänn- och bärhjul. Spännhjulet sitter lagrat i ett bandspänningsdon som i sin tur sitter fastskruvat i en vridfjäder av gummi. Bärhjulet lagras i en pendelarm som fästs i en likadan vridfjäder som används till spännhjulet. Hjulen är inte drivande och behöver därmed inte överföra något drivmoment, den rotation som sker uppstår när hjulen rullar på insidan av bandet. Hjulen utsätts däremot för radiella laster vid körning i ojämn terräng och axiella laster vid svängar.
Dagens hjul består till största delen av sintrad termoplast (UHMWPE), med ett nav av aluminium och en yttre slitbana av gummi. I figur 7 nedan illustreras hjulens uppbyggnad och upphängning. Figuren innehåller även markeringar vid de geometrier som ska lämnas oförändrade vid konstruktion av det nya hjulet, bandstyrningen och lagerbearbetningen.
Figur 7. Spänn-/bärhjulets uppbyggnad och upphängning.
11
2.9 Lastfall
Hjulen utsätts för krafter både radiellt och axiellt vid normal körning (fig. 8), radiella laster uppstår vid körning över hinder i ojämn terräng och axiella laster vid svängning. Axiella laster tas upp av bandstyrningen. Spännhjulet utsätts för en statisk last på cirka 10 kN per hjulpar då bandet spänns, denna last verkar radiellt med cirka 90 graders förskjutning från den radiella last som uppstår vid körning över hinder.
Figur 8. Laster och riktningar.
Den högsta radiella lasten som kan uppnås beräknas fram med hjälp av data från prov där man undersökt vilka vridmoment som uppstår i vridfjädern då den belastas vid olika temperaturer.
Vridmomentet i vridfjädern kan i verklig körning endast uppstå genom att ett hjul belastas med en kraft som överförs till vridfjädern med hjälp av en hävarm i form av ett bandspänningsdon eller en pendelarm. Hjulen arbetar i par och kraften anses fördela sig jämnt över hjulparen.
Kraften beräknas med hjälp av det maximala vridmomentet som uppnåtts vid provet och hävarmens längd (ekv. 6). Eftersom bärhjulets pendelarm är kortare än spännhjulets bandspänningsdon används pendelarmens längd som hävarm i beräkningarna, men kraften som uppstår i spännhjulet beräknas också för att se om denna i kombination med bandspänningen utgör en högre belastning. Slutsatsen av beräkningarna är att den radiella lasten uppgår till högst 38 kN för ett infjädrat bärhjul.
Den högsta axiella lasten finns uppmätt och har ett värde av 23 kN. Denna kraft anses verka på hjulets utsida medan insidan är mindre utsatt, hjulets insida anses förenklat ta ungefär halva lasten.
Sidolasterna är uppmätta på en framvagn med en vikt av 8 500 kg och anses därför kunna representera en total vagnsvikt av 17 000 kg. (8 500 + 8 500 = 17 000).
Någon utmattningslast går inte att få fram ur sidolastprovet då mätningen ej tagit hänsyn till i vilken riktning krafterna verkar, utmattningsberäkningens värden tas därför ifrån en teknisk bestämmelse som beskriver hur utmattningsprovet ska utföras på det nuvarande hjulet. Värdet i den tekniska bestämmelsen ökas med 50 % för att kompensera för ökad vagnsvikt, och antalet cykler dubbleras.
50 % ökning ger 11,25 kN vilket avrundas till 11,5 kN för att förenkla efterföljande beräkningar, då det blir detsamma som halva den maximala axiella lasten. Hjulet ska klara en axiell last av 11,5 kN i 100 000 cykler.
I den tekniska bestämmelsen finns beskrivet ytterligare ett prov som bör tas med som lastfall i beräkningarna. Detta prov testar hållfastheten vid statisk snedbelastning. Testvärdet 25 kN för plastisk deformation ökas 50 % till 37.5 kN men värdet 40 kN utan brott blir orimligt högt om det
12 ökas i samma grad. Här beräknas istället, med bibehållen angreppsvinkel, vilken storlek
komposanterna till de maximala radiella- och axiella lasterna (38 resp. 23 kN) har (ekv. 7 och 8). Efter beräkningen väljs komposanten med högst värde.
Uppdelning av en kraft i komposanter enligt figur 9 [4]:
𝐹𝑎𝑥𝑖𝑒𝑙𝑙 = 𝐹𝑥 = 𝐹 ∗ cos ∝ (7) 𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑒𝑙𝑙= 𝐹𝑦= 𝐹 ∗ sin ∝ (8)
där F är den sökta komposanten, Faxiell är den axiella lasten i N, Fradiell är den radiella lasten i N och ∝ är vinkeln mellan 𝐹 och 𝐹𝑥 i grader.
Komposanten till den maximala axiallasten är störst med ett värde på 46 kN. Denna last anses bli den högsta snedbelastningen som kan uppnås i ett ytterhjul vid full infjädring i en kraftig sväng. Hjulet ska klara en kraft av 37,5 kN utan bestående plastisk deformation större än 5 mm, och en kraft av 46 kN utan brott, när kraften angriper hjulet i en vinkel av 30 grader. Tabell 5 nedan sammanfattar
lastfallen som beskrivits i detta avsnitt.
Tabell 5. Sammanfattning av lastfallen.
Lastfall Nuvarande hjul
[kN]
Nytt hjul [kN]
Radiell last - 38
Axiell last - 23
Axiell utmattningslast 7,5 11,5
Statisk snedbelastning - max 5 mm deformation 25 37,5
Statisk snedbelastning - brott 40 46
Figur 9 [4].
13
3 Genomförande
3.1 Lastfall
Lastfallen tas fram med hjälp av interna provrapporter och tekniska bestämmelser. Lämpliga rapporter letas fram ur databasen och efter utvärdering väljs de mest relevanta lastfallen ut.
Bedömningen utgår från att uppmätta laster är bättre än uppskattade och att rapporterna bör vara så nya som möjligt.
3.2 Konceptframtagning/3D-modellering
Största delen av konceptframtagningen sker med hjälp av 3D-modellering direkt i Catia. Enklare skisser ritas på papper för att beskriva de första koncepten, men därefter utförs allt arbete på datorn.
Innan modelleringen av de enskilda modellerna påbörjas ritas en generell modell som alla
kommande modeller ska utgå ifrån. Denna modell innehåller de styrande måtten på ytterdiameter, bandstyrning och lagerbearbetning. Utifrån den generella modellen tas koncepten fram, där geometrin i största möjliga mån ska optimeras för maximalt materialutnyttjande. Geometrin
anpassas vid modelleringen efter givna hållfasthetskrav, men eftersom dessa krav kan ändras så ritas geometrin upp så att den enkelt kan modifieras utifrån nya krav. Det är alltså den geometriska formen och inte måtten som är viktiga.
Det lastfall som bedöms vara svårast att klara är den axiella utmattningslasten, därav utförs beräkningar löpande för att kontrollera geometrin mot detta lastfall. Övriga lastfall kontrolleras i efterhand när utmattningskriteriet är mött. För att optimera geometrin utifrån sidolaster tillämpas balkteori i dess enklaste form. I största möjliga mån görs godstjockleken större närmare
momentcentrum och mindre närmare ytterdiametern, detta för att erhålla en så jämn spänning som möjligt. I ett försök att ge en lättare konstruktion med bibehållen styrka utvärderas även hjul med ekrar, dessa ekerhjul är ett sätt att utnyttja gjutmetodens fördelar gällande formgivning.
Målet är att ta fram koncept både med solida hjul och delade hjul med löstagbar fälg. Med solida hjul menas hjul som måste bytas som en hel enhet, och som man tar lös genom att demontera lagringen.
Delade hjul består av en del som innehåller lagringen och en del på vilken slitbanan sitter, detta förenklar byte av slitbanan i fält och minskar risken att smuts kommer in i hjullagren.
Reparationshandbok studeras för att se till att det nya hjulet blir enkelt att montera.
Följande grundgeometrier undersöks:
• Rotationssymmetriskt hjul med rak geometri mellan nav och ytterring
• Rotationssymmetriskt hjul med vinklad geometri mellan nav och ytterring
• Ekerförsett hjul
Utifrån grundgeometrierna tas sedan följande varianter fram:
• Solitt hjul
• Delat hjul med löstagbar fälg av gjutaluminium
• Delat hjul med löstagbar fälg av pressad plåt
För de hjul som väljs ut som vinnande koncept skapas följande modeller:
• Gjutmodeller
• Bearbetningsmodeller
• Sammanställning bestående av bearbetningsmodeller och gummibana.
14 För att kunna applicera randvillkor på hjulen i FEM-modulen måste modellen förses med ytor där krafter kan appliceras, dessa ytor ritas som en ”klack” utanpå modellen och har en tjocklek på 0,01 mm för att inte påverka resultatet (fig. 10).
Figur 10. Yta för applicering av randvillkor vid FE-beräkningar.
3.3 Beräkningar med finita elementmetoden
FE-beräkningen utförs i den integrerade FEM-modulen som finns tillgänglig i Catia. Beräkningar utförs löpande i samband med modelleringsarbetet för att tidigt fånga upp förhöjda spänningar och för att optimera geometrin utifrån lastfallen. När gallring av koncepten är klar och de
rekommenderade förslagen valts ut beräknas dessa igen och redovisas under resultat. Paraboliska element används men inga ändringar i elementstorlek görs.
Beräkningarna tar i vissa fall mycket lång tid för datorn att genomföra, framför allt vid beräkning av hjulen med delad fälg där varje lastfall kan ta upp emot en timme att beräkna. För att korta ner beräkningstiden beräknas inte alla lastfall, sidolasten beräknas endast med kraften 11,5 kN och snedbelastningen med 46 kN. Då förhållandet mellan kraft och spänning är linjärt kan man utifrån dessa ta fram vad lasten blir vid 23 kN sidolast och 37,5 kN snedbelastning.
I de fall spänningen överskrider sträckgränsen vid 37,5 kN snedbelastning tas bilder fram som visar nodförskjutningarna vid denna belastning. Beräkningen av nodförskjutningar grundar sig på ett linjärt förhållande som i ett verkligt material slutar gälla när sträckgränsen överskrids, värdena som
redovisas kan därmed inte ses som ett facit på vilka deformationer som skulle uppstå i ett riktigt hjul.
Bilderna används för att ge en uppfattning om det kan vara möjligt för hjulen att klara lastfallet 37,5 kN snedbelastning utan en bestående deformation på mer än 5 mm, och kriteriet är att ingen nod får ha förflyttats mer än 5 mm. Beräkningar utförs även på det nuvarande plasthjulet så att resultaten senare kan jämföras, plasthjulet beräknas med lastfallen 38 kN radiell last och 23 kN axiell last.
Beräkningarna utförs i alla förekommande fall med följande randvillkor:
• Laster enligt tabell 6 appliceras på avsedda ytor i figur 11
• Ytan där lagringen ska sitta låses i alla riktningar
Hjul med delad fälg kräver utöver tidigare nämnda, ytterligare randvillkor:
• De ytor som kan anses överföra betydande laster måste definieras som kontaktytor och bindas samman innan beräkningen
• Skruvförband måste simuleras för att få rätt förspänningskraft
15
Figur 11. Randvillkor vid FE-beräkningar.
Tabell 6. Införda laster vid FE-beräkningar.
Lastfall Fradiell
[kN]
Fin
[kN]
Dimensionerade faktor
Förspänningskraft, skruv [kN]
Radiell last 38 0 Brottgräns 9 [4]
Axiell last 0 23 Sträckgräns
Axiell utmattningslast 0 11,5 Utmattning Statisk snedbelastning – max
5 mm deformation
32,5 18,75 Sträckgräns + deformation Statisk snedbelastning – brott 39,8 23 Brottgräns
För att ha något att utgå ifrån vid modelleringen och för att kunna jämföra konceptens egenskaper måste dimensionerande hållfasthetskrav bestämmas, dessa utgår ifrån pressgjutlegeringarnas mekaniska egenskaper och finns redovisade i tabell 7 nedan. Utmattningsbrottgränsen beräknas med hjälp av ekvation 3 och diagrammet i figur 4. För beräkningen väljs säkerhetsfaktor, s = 1,4.
Dessa krav är inte att betrakta som slutgiltiga och kan behöva ändras senare i processen.
Tabell 7. Dimensionerade hållfasthetskrav.
Faktor Värde
[MPa]
Sträckgräns 140
Brottgräns 240
Utmattningsbrottgräns 60
3.4 Jämförandetal och säkerhetsfaktor
För överskådlighetens skull görs en tabell där plasthjulet jämförs med koncepthjulen, kriterierna är vikt samt bärförmåga vid 38 kN radiell last och 23 kN axiell last. Det nuvarande plasthjulet ges värdet 1. I tabellen redovisas också hur mycket vagnens vikt ändras i kg om koncepthjulen används som spännhjul eller som spännhjul och bärhjul, modellernas vikt utläses i Catia.
Jämförandetal A för vikt kan skrivas som:
𝐴 =𝑚𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡
𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 (9)
16 där 𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡är massan av ett koncepthjul och 𝑚𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 är massan hos det nuvarande hjulet, båda i enheten kg.
Jämförandetal B för bärförmåga hos koncepthjul kan skrivas som:
𝐵 =𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙
𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡
∗𝜎𝑚𝑎𝑥𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒
𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒∗𝜎𝑚𝑎𝑥𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡 (10) där 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡 är den högsta tillåtna spänningen hos ett koncepthjul, 𝜎𝑚𝑎𝑥𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 är den högsta uppmätta spänningen hos det nuvarande hjulet, 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 är den högsta tillåtna spänningen hos det nuvarande hjulet och 𝜎𝑚𝑎𝑥𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡 den högsta uppmätta spänningen hos ett koncepthjul, samtliga i enheten MPa.
Extravikt som spännhjul, ∆𝑚𝑠, ges av:
∆𝑚𝑠= (𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡− 𝑚𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒) ∗ 8 (11) där 𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡 är massan av ett koncepthjul och 𝑚𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 är massan hos det nuvarande hjulet i, båda i enheten kg.
Extravikt som spännhjul + bärhjul, ∆𝑚𝑠+𝑏, ges av:
∆𝑚𝑠+𝑏 = (𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡− 𝑚𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒) ∗ 48 (12) där 𝑚𝑘𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡 är massan av ett koncepthjul och 𝑚𝑛𝑢𝑣𝑎𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 är massan hos det nuvarande hjulet, båda i enheten kg.
Säkerhetsfaktor beräknas för alla koncepthjul vid alla lastfall (ekv. 13 och 14), säkerhetsfaktorn anger vilken marginal som finns till dimensionerande faktor där ett värde över 1 är godkänt.
Beräkning av säkerhetsfaktor, 𝑠, utförs enligt:
𝑠 = 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙
𝜎𝑚𝑎𝑥 (13) där 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙 är den högsta tillåtna spänningen och 𝜎𝑚𝑎𝑥 den högsta uppmätta spänningen, båda i enheten MPa.
Utmattningsbrottgränsen har redan en säkerhetsfaktor 1,4 sedan den beräknats fram, detta innebär att säkerhetsfaktorn får värdet 1,4 i tabellen om den uppmätta spänningen är densamma som utmattningsbrottgränsen.
Beräkning av säkerhetsfaktor vid utmattning, 𝑠𝑢, kan skrivas som:
𝑠𝑢 = 1,4 ∗ 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙
𝜎𝑚𝑎𝑥 (14) där 𝜎𝑡𝑖𝑙𝑙 är den högsta tillåtna spänningen och 𝜎𝑚𝑎𝑥 den högsta uppmätta spänningen, båda i enheten MPa.
3.5 Produktionsmetod
Utgångspunkten för arbetet är att hjulen ska gjutas och därför måste hänsyn tas till både fördelar och nackdelar vid gjutning. Hjulen måste sedan ofrånkomligen bearbetas från både fram- och baksida för att skapa lagerlägena, detta tas i beaktan och ses som en möjlighet att optimera geometrin utan att några extra uppspänningar måste göras.
3.5.1 Gjutning
Vid modelleringen anpassas geometrin med hänsyn till delningsplan och släppningsvinklar. Kontroll görs också för att se om geometrin har några direkt olämpliga inslag som kan skapa sprickor, porer eller brytningar i materialet. När ett vinnande koncept har valts skickas modellen till en gjutspecialist som får bedöma om hjulet går att gjuta.
17 3.5.2 Bearbetning
När bearbetningsmodellerna tas fram behöver hänsyn tas till att verktygen ska komma åt och att inga olämpliga radier förekommer, bedömningen baseras helt på känsla och erfarenhet. När modellen är klar rådfrågas produktionstekniker om bearbetning går att genomföra.
3.6 Materialval
I tidigt stadie väljs inget specifikt material och ingen djupdykning görs i vilket utbud som finns. För modellering och FE-beräkning kontrolleras endast vilka sträck- och brottgränser olika material har, samt vilken ungefärlig styvhet och densitet man kan förvänta sig. När koncepten är klara ställs frågan till gjutspecialisten vilket material som passar vald gjutmetod bäst och samtidigt klarar övriga
kriterier.
3.7 Val av koncept/slutgiltigt produktionsförslag
När antalet koncept når en sådan nivå att de flesta tänkbara varianter kan anses vara representerade hålls ett möte mellan student och handledare på arbetsplatsen där man resonerar kring vilka idéer som har mest potential. Syftet med detta möte är att begränsa antalet koncept till en nivå där det är rimligt att alla kan färdigställas. Under mötet bestäms också vilken 3D-modell som ska skickas till gjutspecialisten.
18
4 Resultat
4.1 Tillverkningsmetod
4.1.1 Kommentarer från gjutspecialisten
Gjutspecialisten [15] anser inte att det är helt självklart att gjutning är den bästa
tillverkningsmetoden för hjulet, baserat på den enkla geometrin hos det rotationssymmetriska hjulet och de små seriestorlekarna. Enligt honom bör svarvning av hjulen ur rundstång övervägas ur
ekonomisynpunkt, med reservation för att miljöaspekten troligen kan väga tillbaka mot gjutning. Att hjulet går att gjuta bedöms självklart, men inte vilken metod som ska användas. Om hjulet ska gjutas så vore pressgjutning att föredra för ytfinhetens skull, men hjulet är troligen för stort för metoden och väggtjocklekarna alltför varierande och i vissa delar för tjocka. Sandgjutning och kokillgjutning nämndes som gångbara alternativ där sandgjutningen kanske ger för poröst material. Budskapet som framfördes var att man bör färdigställa ett antal koncept till den grad att de är kravsatta och klara med komplett ritningsunderlag, och sedan begära in offerter från olika företag, innan man låser sig till en viss produktionsmetod eller ett visst material.
4.1.2 Kommentarer från produktionstekniker inom bearbetning
Bearbetningen av det solida hjulet ska inte vara några problem att utföra, men synpunkter lyftes angående utformningen av fälgen till det delade hjulet med aluminiumfälg. På fälgen förekom geometrier som skulle vara omöjliga att svarva fram, och onödigt tidskrävande att fräsa fram, detta är åtgärdat i den slutgiltiga modellen.
4.2 Slutgiltiga produktionsförslag
Vid konceptvalsmötet valdes tre varianter ut, ett solitt rotationssymmetriskt hjul, ett delat hjul med aluminiumfälg och ett delat hjul med plåtfälg. Vid närmare granskning av modellerna såg man att geometrierna hos dessa hjul hade många likheter och att de borde gå att bearbeta fram ur samma gjutgods om smärre ändringar utförs. Efter mötet framfördes även en önskan om att ta fram ett hjul med samma vikt som det nuvarande plasthjulet, för att bedöma om ett sådant hjul kan ha acceptabel hållfasthet.
19 4.2.1 Solitt rotationssymmetriskt hjul
Hjulet har i geometrin mellan bandstyrningen och lagerhuset en viss sluttning och mer godstjocklek ju närmare centrum man kommer, detta för att ge så jämna spänningar som möjligt och undvika förhöjda spänningar i anslutning till radier. Hjulet uppvisar goda egenskaper vid
hållfasthetsberäkningar och materialet utnyttjas väl vid alla lastfall.
Vikten hålls relativt låg genom att material svarvas bort invändigt i ytterringen, hänsyn har tagits till att svarvningen måste vara möjlig att utföra på riktigt, främst genom att bearbetningen från yttersidan har en viss släppningsvinkel för att ge plats för verktyget. Hjulet syns i figur 12 nedan.
Figur 12. Solitt rotationssymmetriskt hjul.
20 4.2.2 Solitt rotationssymmetriskt hjul med viktkrav
Det lättade hjulet är nästan identiskt med det andra solida hjulet. Hjulet har lättats genom att ändra vinkeln på insidan av ”mellangeometrin” så att tjockleken minskar hela vägen, dessutom har
godstjockleken på lagerhuset minskats. Hjulets utsida och urgröpningen i ytterringen är oförändrade.
Utsidan lämnades oförändrad för att lättningen ska vara möjlig att utföra även på de delade hjulen, som använder samma vinkel på utsidan. Urgröpningen ändrades inte av anledningen att det inte gick att ta bort mer material, dels för att verktygen kan bli för instabila vid längre instick och att
godstjocklekarna blir för tunna på vissa ställen. Hjulet syns i figur 13 nedan.
Figur 13. Solitt rotationssymmetriskt hjul med viktkrav.
21 4.2.3 Delat hjul med aluminiumfälg – fastskruvad framifrån
Det delade hjulet med aluminiumfälg är ritat med hänsyn till att samma gjutämne som till det solida hjulet ska kunna användas. Detta är i första hand tänkt att vara en fördel i prototypstadiet då endast en gjutform behöver tas fram för att testa alla hjulen, men det kan också vara en hållbar lösning för serietillverkning om en liten andel delade hjul beställs. Fälgringen ska gjutas för sig och sedan
bearbetas i NC-svarv. Fälgringen ska ta emot radiella laster och axiella laster som kommer utifrån och överföra dessa till stommen. De axiella laster som påverkar hjulet inifrån ska ensamt tas upp av stommen och inte av ytterringen, detta för att inte belasta skruvarna. Skruvarna ska ej heller belastas radiellt, de är enbart dimensionerade för att ge tillräcklig och jämn förspänningskraft. Laster överförs i första hand mellan gränssnittets räta ytor, de vinklade ytorna ska måttsättas så att ett visst spel uppkommer mellan dem, för att inte överdefiniera modellen. Hjulet syns i figur 14 nedan.
Figur 14. Delat hjul med aluminiumfälg - fastskruvad framifrån
22 4.2.4 Delat hjul med plåtfälg – fastskruvad bakifrån
Det delade hjulet med plåtfälg kan som de andra hjulen bearbetas fram ur samma ämne. Plåtfälgen pressas fram ur stålplåt, på vilken svetsmuttrar svetsas fast, fälgen skruvas sedan fast i stommen från baksidan. Anledningen till att skruvarna flyttats till baksidan härleds till antagandet att hjulets utsida får ta högre last än insidan, för bandets livslängds skull kan det då vara rimligt att anliggningsytan är så slät som möjligt. FE-beräkningar påbörjades men avbröts eftersom det ansågs att tiden kunde utnyttjas bättre till annat. För att få användbara resultat skulle extra tid behöva läggas på fördjupning inom plåtpressning, svetsmutterns mekaniska egenskaper och ett omfattande arbete med
beräkningens randvillkor. Konceptet innehåller dock en del intressanta aspekter och behålls därför ändå. Hjulet syns i figur 15 nedan.
Figur 15. Delat hjul med plåtfälg – fastskruvad bakifrån
23
4.3 FE-beräkning, jämförandetal och säkerhetsfaktor
Resultat från FE-beräkningen finns sammanfattade i tabell 8 nedan. Bilder från beräkningar finns bifogade i bilagor 1-4. I dessa bilagor finns markerat var de största spänningarna uppstår för respektive hjul och lastfall.
Det gulmarkerade värdet överskrider den dimensionerande utmattningsbrottgränsen men har fortfarande en säkerhetsfaktor som överstiger 1. Se tabell 10. Stjärnmarkerade värden överstiger sträckgränsen men godkänns efter kontroll av maximal deformation. Se bilaga 2 och 3 för bilder på nodförskjutningar.
Tabell 8. Resultat av FE-beräkning
Lastfall Maximal spänning, σmax [MPa]
Nuvarande hjul
Solitt hjul Solitt hjul - viktkrav
Delat hjul - alufälg
Radiell last 48 134 137 170
Axiell last 89 120 164 120
Axiell utmattningslast - 60 82 60
Statisk snedbelastning - max 5 mm deformation - 139 184* 157*
Statisk snedbelastning - brott - 171 226 193
I tabell 9 nedan visas jämförelser mellan det nuvarande plasthjulet och de FE-beräknade koncepthjulen. Kriterierna är bärförmåga och vikt, metoden beskrivs i avsnitt 3.4.
Tabell 9. Jämförelse med nuvarande hjul.
Nuvarande hjul Solitt hjul Solitt hjul -viktkrav
Delat hjul -alufälg
Radiell last, bärförmåga 1 3,1 3,0 2,4
Axiell last, bärförmåga 1 5,1 3,7 5,1
Vikt 1 1,1 1 1,2
Vikt [kg] 5,5 6,06 5,5 6,68
Extravikt som spännhjul [kg] 0 4,5 0 9,4
Extravikt som spännhjul + bärhjul [kg]
0 26,8 0 56,4
I tabell 10 nedan redovisas de säkerhetsfaktorer som beräknats fram enligt metoden i avsnitt 3.4.
En säkerhetsfaktor över 1,0 är godkänd. I de fall säkerhetsfaktorn understiger 1,0 måste en särskild bedömning göras huruvida resultatet ändå kan godtas.
Tabell 10. Resultat från beräkning av säkerhetsfaktor.
Lastfall Säkerhetsfaktor
Solitt hjul
Solitt hjul - viktkrav
Delat hjul - alufälg
Radiell last 1,8 1,8 1,4
Axiell last 1,17 0,85 1,17
Axiell utmattningslast 1,4 1,1 1,4
Statisk snedbelastning - max 5 mm deformation 1 0,76 0,89
Statisk snedbelastning - brott 1,4 1,06 1,24
24
4.4 Avvecklade koncept
Under modelleringsarbetet ritades cirka 80 olika modeller upp och utvärderades, dessa modeller av varierande mognadsgrad består av olika kombinationer av idéer som uppkommit under arbetets gång och deras respektive beståndsdelar. Resultatet av det omfattande modelleringsarbetet är fyra överlevande koncept, här följer några exempel på koncept som inte tog sig hela vägen (fig. 16):
I. Ekerhjul med ekrar på baksidan
II. Ekerhjul med ekrar på framsidan där slitbanan är monterad på en heltäckande plåtfälg III. Hjul där slitbanan är monterad på en plåtring som kläms fast mellan fastskruvat plåtbleck och
konisk stomme
IV. Hjul där slitbanan är monterad på en plåtfälg som skruvas fast framifrån med försänkt skruv
Figur 16. Bilder på avvecklade koncept.
25
5 Diskussion
5.1 Koncepten
Ekerhjulen uppvisade i tidigt projektstadium goda egenskaper då de kombinerade låg vikt med hög styrka, detta var när ekrarnas utformning optimerats enbart med avseende på hållfasthet, men efter att ekrarnas tjocklek och avståndet mellan dem anpassats till gjutning började de vika sig i vissa belastningsfall. Utöver detta bedömdes även haveririsken för stor, om någon eller några av ekrarna skulle innehålla gjutdefekter, eller om de skulle skadas av yttre åverkan. Dessutom skulle ekerhjulen bli svårare att bearbeta, och de urgröpningar som görs i det solida rotationssymmetriska hjulets ytterring hade inte gått att göra i ekerhjulen, vilket gör att de förlorar sina viktfördelar.
Ekerhjulet med ekrar på framsidan och heltäckande plåtfälg utformades så för att kombinera ekrarnas viktfördelar med fördelen av att ha släta, skyddade ytor på både fram- och baksida. Hjulet blev dock så tungt att idén inte var rimlig att gå vidare med.
Hjulet med fastklämd enkel plåtring togs fram för att hålla nere kostnaden på de utbytbara fälgarna.
Idén vilade på att hjulen inte utsätts för något drivmoment, att sidolasterna tas upp av
bandstyrningen och att ringen vid radiell belastning stöds av hjulets stomme, vilket gör att ringen endast behöver hållas på plats. Det visade sig dock vara svårt att få plats med plåtblecken som ska hålla fast ringen, eftersom ringen måste vara minst lika bred som gummibanan och att utrymmet utanför helst ska hållas fritt för att inte riskera att skada bandet. Alltför stora delar av
bandstyrningens yta ansågs också gå förlorad.
Hjulet med plåtfälg som fästes framifrån med försänkt skruv är nog möjligt att tillverka med
pressförsänkningar i plåten, men det skulle troligen inte alltid vara möjligt att montera loss fälgen när den ska kasseras. Om skruvskallarna nöts och fylls med smuts krävs det inte mycket för att de ska dras runda, har skruvarna då dessutom fastnat på grund av oxid blir det problem. Måste de då borras ut lär stommen löpa stor risk att förstöras, dessutom går hela idén med en lättbytt fälg förlorad.
Använder man sig av en plåtfälg som skruvas fast bakifrån löper man förvisso också risken att oxid kommer att försvåra demontering av skruven, men här tillåter utrymmet användning av en skruvtyp som tål mer stryk och går skruvarna av så är både fälg och skruv bara att plocka bort. Dras gängorna sönder utan att skruven vill komma ut finns dessutom utrymme för att demontera fälgen genom att kapa av svetsmuttrarna framifrån med vinkelslip, utan att förstöra fälgstommen.
Möjligheten att skruva antingen framifrån eller bakifrån finns också hos hjulet med aluminiumfälg.
Fördelen med att skruva bakifrån är att gängorna hamnar i den del som är tänkt att bytas ut, men servicevänligheten ökar då skruvarna sätts på framsidan, dessutom är det lättare att kombinera med att alla koncept ska använda samma gjutgods. Aluminiumfälgens djup gör att vanlig sexkants
flänsskruv kan användas utan att sticka ut, vilket ökar sannolikheten att fälgen ska gå att lossa.
Ytan som skruvarna stjäl av bandstyrningen bör vara så liten att det inte gör någon skada.
Att spänningsfördelningen vid sidobelastning är jämnare hos det solida rotationssymmetriska hjulet än vad den är för det solida rotationssymmetriska hjulet med viktkrav härleds till att det första är mer förfinat och genomarbetat medan det andra är en skyndsamt modifierad modell.
5.2 Bandstyrning
De ytor som kommer i kontakt med bandet kommer att utsättas för abrasiv nötning, effekten av denna kommer sannolikt bli stor framförallt vid körning i sand. Hur mycket av ytan som kommer att nötas ner under en viss sträcka är svårt att avgöra och kommer variera beroende på körsätt och miljö. Något man däremot kan spekulera i är effekten av denna nötning och om den omöjliggör den invändiga lättningen av ytterringen på grund av att den bidrar till en oacceptabelt förkortad livslängd för hjulet.
26 På de solida hjulen kan man tänka sig att när nötningen tunnar ut ytterringens bredd så kommer bandstyrningens höjd bli mindre och mindre och om man tänker sig att kraften fördelar sig jämt över den tillgängliga höjden så kommer kraften visserligen verka på en mindre area, men dess
angreppspunkt kommer att flyttas uppåt mot det tjockare området och hävarmen blir kortare.
Spänningen kommer troligen öka men det är inte säkert att den kommer öka i en sådan grad att det blir ett problem.
Bestämmer man sig för att de förhöjda spänningarna inte utgör ett problem måste man ändå
fundera på hur hög bandstyrningen minst måste vara för att fungera tillfredställande. Oavsett om det är de förhöjda spänningarna eller bandstyrningens höjd som avgör när ett hjul måste bytas så känns en mätning av denna höjd som en enkel sak att föra in i ett kontrollschema.
5.3 Tillverkningsmetod
Gjutspecialisten [15] tycker att den enkla geometrin och de små serierna talar emot att hjulen borde gjutas. Han föreslår istället att hjulen ska svarvas fram.
Att geometrin, trots försök att utnyttja gjutningens fördelar till fullo, i slutändan blev så enkel att den är möjlig att svarva fram bör absolut inte ses som någon nackdel. Det finns inget mervärde i att krångla till en konstruktion bara för att motivera användningen av en önskad tillverkningsmetod.
Istället bör detta ses som en möjlighet att kunna ta in offerter från fler potentiella leverantörer och att eventuellt kunna utnyttja olika tillverkningsmetoder. Exempelvis så kan hjulen gjutas vid stora serier och svarvas fram för försäljning av enstaka reservdelar.
Används hjulet enbart som spännhjul och kanske enbart hos enstaka kunder så kommer gjutning troligen aldrig gå att motivera, men skulle det införas även som bärhjul och dessutom i
serieproduktion av framtida bandvagnar så skulle serierna kunna bli rätt stora, då 48 hjul monteras per bandvagn. Även om hjulen skulle vara lönsamma att svarva fram även vid större serier så lär stora delar av materialet gå till spån, den miljöpåverkan detta skulle ha måste tas med i
beräkningarna.
Ska hjulen gjutas så verkar det tyvärr som att pressgjutning inte är ett alternativ enligt
gjutspecialisten [15], eftersom hjulen är för stora och har olämpliga väggtjocklekar. Detta är synd då ytjämnhet är en viktig faktor hos utmattningspåkänt material. Personligen lutar jag åt att hjulen bör kokillgjutas för hållfasthetens skull med reservation för att prisbilden beroende på seriestorlek kan peka mot sandgjutning. Slutsatsen måste tyvärr bli att någon slutgiltig gjutmetod inte kan väljas, detta får bli upp till gjuterierna att bedöma utifrån det ritningsunderlag som skickas till dem.
5.4 Material
Eftersom ingen slutgiltig gjutmetod valts så görs inget exakt materialval heller, men jag anser att tillräckliga undersökningar har gjorts för att ingjuta hopp om att en lämplig legering finns för den tillverkningsmetod som blir aktuell.
Aluminiumgjutlegeringar med mekaniska egenskaper som kommer nära, eller överstiger de krav som sattes för modellering och beräkning av modellerna, finns för de tre undersökta gjutmetoderna pressgjutning, sandgjutning och kokillgjutning. Flera av dessa legeringar har även dugliga egenskaper vad det gäller korrosionsbeständighet, skärbarhet, flytbarhet och beständighet mot varmsprickor.
För svarvade hjul måste rundstång hittas med mekaniska egenskaper som motsvarar eller överträffar kraven på hjulen.
5.5 Temperaturkänslighet och hållfasthet
Aluminium har betydligt högre smältpunkt än UHMWPE och bör därmed klara betydligt högre temperatur, och eftersom den bättre värmeledningsförmågan hos aluminium ger bättre kylning så borde drifttemperaturen dessutom bli lägre med ett aluminiumhjul. Eftersom siffrorna för
