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·πππ£ππππ + ππππ£ππ > π π‘ππ‘ππ£ + πππππππ π‘åππ 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