Uploaded by Johan Edin

Fyrlänksanalys på en traktor-1

advertisement
Fyrlänksmekanismer på en traktor
Frida Markstedt
Johan Edin
Luleå Tekniska Universitet
2018-10-08
Förord
Syftet med denna rapport är att analysera hur en frontlastare och en grävlastare till en
traktor fungerar med hjälp av att granska tre stycken fyrlänksmekanismer. Delar av
materialet kommer från konstruktioner i Solidworks 2018. Tack till handledare för
vägledning och Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå för lokaler och utrustning.
i
Sammanfattning
Detta projekt gick ut på att analysera en fyrlänk som används i dagens samhälle, i
detta fall en grävlastare. På grävlastaren finns tre stycken fyrlänksmekanismer, en på
grävarmen och två på frontlastaren. Dessa två komponenter konstruerades i CAD.
Projektet utfördes både individuellt och i grupp.
Resultatet blev en analys av fyrlänkarna i respektive komponent, vilket rörelseschema
de rör sig och ifall de har några begränsningar samt hur Grashof’s lag kan bestämma
vilken typ av svängning länken får.
Uppgiften var även att komponenterna skulle röra sig enligt vissa mått och dessa
resultat finns även redovisade i denna rapport.
ii
Innehållsförteckning
1
2
3
4
5
6
Inledning ............................................................................................................... 1
1.1
Problemställning ............................................................................................ 1
1.2
Bakgrund ........................................................................................................ 1
1.3
Syfte ............................................................................................................... 1
Introduktion ......................................................................................................... 2
2.1
Frontlastare .................................................................................................... 2
2.2
Grävarm ......................................................................................................... 2
Metod .................................................................................................................... 4
3.1
Frontlastare .................................................................................................... 4
3.2
Grävarm ......................................................................................................... 5
Resultat ................................................................................................................. 6
4.1
Frontlastare .................................................................................................... 6
4.2
Grävarm ......................................................................................................... 8
Diskussion och slutsats ...................................................................................... 11
5.1
Frontlastare .................................................................................................. 11
5.2
Grävarm ....................................................................................................... 11
Referenser ........................................................................................................... 12
6.1
7
Vetenskapliga artiklar .................................................................................. 12
Bilagor ................................................................................................................. 12
iii
1
Inledning
1.1 Problemställning
Hur får man en skopa att kunna röra sig fritt 180° och även att resten av grävarmen
följer med på ett mjukt och välkonstruerat sätt, eller hur får man en skopa på en
frontlastare att röra sig parallellt med marken hela tiden medan man höjer skopan.
1.2 Bakgrund
En fyrlänkmekanism är uppbyggd av fyra delar som är sammansatta av fyra leder.
Stativ som är basen till det hela och som inte rör sig något. Drivande vev är det som
får det hela att röra sig, det är den som man kan kalla motorn i det hela. Driven vev är
den arm som blir förflyttad av den drivande veven för att med hjälp av en koppelstång
som sitter fast i den drivande veven samt den drivna veven. Det finns tre olika sorters
fyrlänksmekanismer, vev-svängarmsmekanism, dubbel-svängarmsmekanism och
dubbel-vevmekanism. Vev-svängarmsmekanism så rör sig en av armarna i en cirkel
och den andra svänger bara fram och tillbaka. Dubbel-svängarmsmekanism är då både
den drivande och den drivna veven bara svänger fram och tillbaka. Dubbelvevarmsmekanism är då både den drivande och den drivna veven har cirkulära banor.
1.3 Syfte
Syftet med rapporten är att lära sig mer om hur fyrlänksmekanismer fungerar och hur
de är uppbyggda. Den går även ut på att lära sig mer om hur 3D CAD fungerar och
hur man kan göra en fungerande konstruktion som kan fungera i verkligheten utan att
man behöver bygga den fysiskt.
1
2
Introduktion
2.1 Frontlastare
I frontlastaren finns två stycken fyrlänksmekanismer. En av dem är placerad längst
upp på frontlastarens arm och har som syfte att hålla skopan längst ut på armen,
parallell med marken. Den andra fyrlänken sitter längst ned vid skopan och gör så att
den kan röra sig upp och ner. Frontlastaren som konstrueras i CAD skall röra sig med
liknande mått som i figur 1.
Figur 1: Rörelsemått för frontlastare.
2.2 Grävarm
På grävarmen sitter en fyrlänksmekanism som sammankopplar skopan med armen
och en hydraulikcylinder. Syftet med den fyrlänken är att göra så att skopan kan röra
sig fritt i upp till ca 180 graders vinkel. Grävarmen skall konstrueras i CAD med
liknande mått för sin rörelse som i figur 2.
2
Figur 2: Rörelsemått grävarm.
3
3
Metod
3.1 Frontlastare
För att konstruera en fungerande frontlastare till en traktor behövs två fyrlänkar. Innan
arbetet påbörjades behövdes beräkningar av dessa fyrlänkar utföras för att veta var
respektive länk skulle sitta. Det finns olika metoder att räkna ut detta, en är Grashof’s
lag och en är att bestämma mittpunktsnormalen. I denna konstruktion användes
metoden med bestämning av mittpunktsnormalen, där två lägen ritades ut för
respektive fyrlänk och en normal drogs genom punkterna före och efter. Där sedan de
två normalerna möttes kunde en fästpunkt bestämmas och länkarnas längd kunde
mätas. Alla mått ritades ut med linjal.
Frontlastaren konstruerades i SolidWorks 2018. Först gjordes traktorkroppen som
frontlastaren skulle sitta fast i och måtten användes därefter. Eftersom att frontlastaren
består av två likadana delar och en skopa, så gjordes delarna till en sida först och
återanvändes i den andra sidan sedan. Lastararmen ritades upp först med inspiration
får bilder och med lämplig storlek till traktorn. Därefter ritades det fasta fästet till
traktorkroppen ut och hål för tre kolvar placerades med lämpliga mått i från varandra.
Det behövdes två av samma del för att skapa länken. Ifrån den högst placerade kolven
skapades en länk som skulle ansluta till en triangelformad länk som konstruerades och
fästes på lastararmens böj. Länken fick ett rektangulärt tvärsnitt och ett hål för kol i
var sida, och den triangelformade länken i böjen bestod av två likadana delar för att
bli komplett. För att Lastararmen skulle kunna höjas och sänkas behövdes även ett
hydralstag från fästet i traktorn till den triangelformade länken. Hydralstaget bestod
av en cylinderformad stång med ett fäste för kolv i ena änden samt ett cylinderformat
rör med samma innerdiameter som stångens ytterdiameter, även denna hade ett fäste
för kolv fast i motsatt ände. Detta hydralstag kunde användas en gång till i denna
assembly men efter lastararmens böj ned till den andra fyrlänken. Till den andra
fyrlänken behövdes den drivande veven, som skjuts på av hydralstaget, det fästes med
kolv nästan längs ned på lastararmen. Denna var en enkel platt konstruktion med hål
för kolv i båda ändarna och behövdes två av för att bli komplett länk. Allra längst ut
placerades ett fäste till skopan som även fungerade som länk. Skopfästet fick bli lika
brett som traktorns front för att lastararmen skulle kunna sitta på utsidan av fästet
samt utsidan av traktorn och fortfarande vara rak. Skopfästet fick ett triangulärt
tvärsnitt för att kunna vridas upp och ner utan att ta i kanten på lastararmen. En annan
länk från skopfästet behövdes för att fullborda rörelsen, och den fick sitta längst upp
på det triangulära tvärsnittet och koppla rörelsen från den drivande veven. Även
denna länk bestod av två likadana delar. Sist men inte minst ritades skopan, som fick
lämpliga mått för att passa frontlastaren.
Då alla delar var klara så sattes de ihop till en assembly bestående av traktorn, två
repeterande armkonstruktioner och skopan. För att testa rörelsen så bestämdes
traktorn till “fixed”. Små justeringar gjordes i vissa delar för att en del “mates” skulle
fungera och för att förbättra rörelsemönstret. Designen fick bli abstrakt med klassiska
färger för liknande motorfordon. Majoriteten av konstruktionen är svart men har
inslag av silvriga, guldiga och röda detaljer. Alla dessa färger bestämdes i
SolidWorks.
4
3.2 Grävarm
Grävarmen är konstruerad i SolidWorks med inspiration av en Huddig 1160 som är en
traktor med en grävarm bak. Alla delar i konstruktionen är gjorda enskilt med en bild
från sidan av en befintlig grävarm som hjälpmedel. Vi konstruktionen av
fyrlänkmekanismen på grävarmen så användes den befintliga grävarmen som hjälp.
Vi framtagningen av fyrlänken så tog det fram en bild av hur fyrlänken ser ut i sitt
viloläge samt sitt mest utsträcka läge och sitt mest infällda läge. Med dessa bilder så
kan konstruktionen av koppelstången, stativet, den drivna veven och den drivande
veven börja. Med hjälp av det så gick det att med hjälp av cirklar mäta ut var
infästningarna skulle sitta i stativet och hur långa vevarna och koppelstången skulle
vara.
Utav alla mätningar och antaganden så fördes det in i SolidWorks för att konstrueras i
3D. Med hjälp av en assembly så sattes alla delar av grävarmen ihop till en färdig
produkt. Utav assemblyn så ritades det en ritning av hela fyrlänksmekanismen. Detta
för att enklare se hur den är uppbyggd och hur den fungerar. I den här konstruktionen
har det använts flera olika verktyg, linjal, passare, CAD-program för 3D ritning och
även den ritningen över hur fyrlänken ser ut.
5
4
Resultat
4.1 Frontlastare (Frida)
Frontlastaren fick en fungerande rörelse. Detta på grund av beräkningar i förarbete
och korrigeringar under projektets gång. Lastararmen kan lyftas upp och ned medan
skopan hålls parallell mot marken. Kommer dock armen för högt upp till ett visst
läge, så tiltar skopan en aning och detta är på grund av koppelstångens längd. Skopan
går att vinkla upp och ner, men mer uppåt. Detta eftersom att hydralstaget har en viss
längd.
Analys av fyrlänkarna: Fyrlänksmekanismen som reglerar skopans läge i frontlastaren
består av fyra delar. Två vevar, fästet för skopan och lastararmen. Se figur 3 nedan.
Den mörkröda axeln är fyrlänkens drivande vev och driver rörelsen på skopan. Fästet
på skopan blir den drivna veven eftersom att det är den som påverkas av den drivande
vevens rörelse. Den ljusare röda axeln kopplar ihop rörelsen och kallas därför
koppelstång. Slutligen är lastararmen, som är still under hela rörelsen, det som kallas
stativ. Enligt en artikel av ME Mechanical [1] så är denna fyrlänksmekanism en
dubbel-svängarmsmekanism eftersom avv summan av den kortaste och längsta länken
tillsammans är större än längden av de resterande länkarna tillsammans. En dubbelsvängarmsmekanism rör drivande och driven vev fram och tillbaka, inte i en cirkulär
bana. I detta fall ser ekvationen för mekanismen ut såhär
π·π‘Ÿπ‘–π‘£π‘Žπ‘›π‘‘π‘’ + π‘‘π‘Ÿπ‘–π‘£π‘’π‘› > π‘ π‘‘π‘Žπ‘‘π‘–π‘£ + π‘˜π‘œπ‘π‘π‘’π‘™π‘ π‘‘å𝑛𝑔
Figur 4 illustrerar hur fyrlänkens komponenter rör sig för att skopan skall tippas. Den
drivande veven trycks med riktning mot skopan vilket medför att koppenstången
trycker den drivna veven och skopan nedåt. Stativet behåller sin position vilket är
anledningen till att rörelsen fungerar. Enligt
Figur 3: Fyrlänksmekanism i upprätt läge.
Figur 4: Fyrlänksmekanism i nedböjt läge.
6
Fyrlänksmekanismen som reglerar lastararmens läge ser annorlunda ut. I det fallet är
nämligen lastararmen den drivande veven eftersom att det är den som sätts i rörelse av
hydralstaget. Detta illustreras i figur 5. Här är istället fästet på traktorn det som kallas
stativ och är fast under hela rörelsen. Den triangelformade länken blir koppelstång
som gör att den svarta drivna veven hålls relativt parallell mot lastararmen. Se figur 6.
Dock är även denna mekanism en dubbel-svängarmsmekanism.
Figur 5: Lastararmen i nedböjt läge.
Figur 6: Lastararmen i upphöjt läge.
För att förtydliga rörelsen på fyrlänkarna så finns ritningar över rörelseschemat nedan.
7
Figur 7: Rörelseschema fyrlänk till skopa.
Figur 8: Rörelseschema lastararmslänk.
4.2 Grävarm (Johan)
Rörelsen på grävarmen kom från test i Solidworks och tillsammans med beräkningar i
teorin. Under arbetets gång så har de gjorts en del ändringar för att räta till fel vid
rörelsen av armen samt även hur fel på rörelsen av fyrlänken. Längden på armarna
korrigerades i efterhand då längden av hela grävaren blev för kort för att uppnå
kriterierna på 6,6 meter lång. Längden i slutändan blev då 6,1 meter vilket är ganska
nära kriterierna. Vinkeln på skopan hamnar på ungefär 180 grader från sitt mest
utfällda läge till sitt mest infällda läge. I figur 9, 10 och 11 kan man se hur
rörelsemönstret ser ut för toppen av de båda vevarna för tre lägen av skopans
rörelsemönster. Sedan ser vi totala längden av hela grävarmen i figur 12.
Figur 9: Skopans rörelsemönster.
8
Figur 10: Skopans rörelsemönster.
Figur 11: Skopans rörelsemönster.
9
Figur 12: Grävararmens utsträckning.
I denna fyrlänksmekanism som sitter längst ut vid skopan på grävarmen så utför den
en viktig del av hela grävarmen. Detta för att det är den delen som tillåter skopan att
röra sig relativt fritt med begränsningar av att skopan slår i armen. Rörelsen är har en
rörlighet på ungefär 180° från sitt mest utsträckta läge till sitt mest hopvikta läge. Den
här fyrlänksmekanismen är en så kallad dubbel-svängarmsmekanism [2], det är då
både den drivande veven och den drivna veven bara svänger fram och tillbaka. Detta
menas med att ingen av de två veven åker runt i en cirkulär bana. Med hjälp av den
hydrauliska cylindern som trycker eller drar i den drivande veven vilket får hela
fyrlänken att luta åt sidan. Det som begränsar denna fyrlänk är att den drivande veven
kommer att stöta i stativet. Materialet som fyrlänken kommer vara gjord av är stål då
detta har en ganska hög stresstålighet.
Figur 13: Grävarmens Fyrlänksmekanism
Figur 14: Ritning av Grävarmens Fyrlänk
10
Figur 15: Skopan i infällt läge
5
Figur 16: Skopan i viloläge
Figur 17: Skopan i utfällt läge
Diskussion och slutsats
5.1 Frontlastare
Resultatet innebär att uppgiften är fullbordad men givetvis kan förbättras. Med mer
förarbete kunde säkerligen resultatet blivit bättre och både skopans parallelförhållande
till marken hade kunnat hållas till en högre höjd och skopan hade kunnat luta sig ännu
mera nedåt. Problemet med en markparallell skopa är svårt att lösa. Eventuellt skulle
koppelstången i fyrlänken kunna förlängas men då skulle nog ett problem uppstå
någon annanstans i rörelsen.
För att lösa problemet med skopans tiltning hade eventuellt ett annat, längre
hydralstag gett bättre resultat än att använda samma hydralstag som används på ett
annat ställe på armen.
Måtten på frontlastarens rörelseschema är inte detsamma som kraven som angavs i
uppgiften, detta på grund av tidsbrist som orsakats av störningar i CAD-programmet.
Dock har måtten samma förhållande till varandra och fungerar så som angivits i
uppgiften. Till nästa gång kan det vara bra att ha en tydlig bild av konstruktionen
innan arbetet sätts igång.
5.2 Grävarm
Resultatet för grävarmen säger att grävarmen uppfyller kriterierna för uppgiften då
längden av grävarmen ligger ganska nära uppgiftens givna mått. Uppgiften kunde ha
utförts bättre med mera tid till planering och arbete då denna uppgift hade ganska kort
om tid.
Fel finns det en del av men det skulle gå ganska lätt att fixa då armen skulle gå att
förlänga eller att man skulle kunna justera fyrlänken så att skopan rör sig bättre eller i
en bättre bana.
11
6
6.1
Referenser
Vetenskapliga artiklar
[1] ME Mechanical Team, ”Grashof’s law”, [2017][online]
https://me-mechanicalengineering.com/grashofs-law/#dcm [Accsessed Oct 23,2018]
[2] Yuxuan Tong, ”Four-Bar Linkage Synthesis for a Combination of Motion and
Path-Point Generation”, [2013][online]
https://etd.ohiolink.edu/rws_etd/document/get/dayton1366643444/inline [accessed
Oct 22, 2018]
7
Bilagor
Bild på framsida: http://www.cohutbildningar.se/maskinforarutbildning-gravmaskingravlastare/
Bilder i introduktion: Projekt analys fyrlänksmekanism - Canvas
12
Download