Viktoptimering av lastbilschassi1130300/...Scania är ett globalt företag som tillverkar tunga lastbilar, bussar samt marinmotorer och är verksam i 100 länder. En viktig och växande

EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,

Maskinteknik, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017

Viktoptimering av lastbilschassi

Farid Khaldi Darwn Kawa Mohammed Saeed

SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT

INSTITUTIONEN FÖR TILLÄMPAD MASKINTEKNIK


av

Farid Khaldi Darwn Kawa Mohammed Saeed

Examensarbete TMT 2017:32

KTH Industriell teknik och management

Tillämpad maskinteknik

Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje

Examensarbete TMT 2017:32


Farid Khaldi

Darwn Kawa Mohammed Saeed

Godkänt

2017-06-d13

Examinator KTH

Mark W. Lange

Handledare KTH

Mark W. Lange

Uppdragsgivare

Scania CV AB

Företagskontakt/handledare

Fady Aziz

Sammanfattning

RTCB-avdelningen som ansvarar för chassiutveckling på Scania arbetar ständigt för att utveckla och tillämpa nya lösningar för att producera hållbarare, kostnadseffektivare och miljövänligare chassi, i syfte att behålla sin plats som en av världens största lastbilstillverkare och att leverera innovativa tekniska lösningar som tillfredsställer morgondagensbehov.

Detta examensarbete har utförts i syfte att undersöka möjligheten att optimera vikten på lastbilschassi, genom att ta bort material från ramsidobalkarna i form av lätthål. Arbetet berörde lastbilskonfigurationen A4X2 med axelavstånd 3750 mm.

Målet var att optimera vikten på ramsidobalkarna och ge underlag för placering av lätthål på den nuvarande modellen.

För att avgöra om viktoptimeringen är möjlig så har tre olika lastfall analyserats. Dem valda lastfallen motsvara dem extremaste påkänningar som orsakar höga spänningar på lastbilschassi. Lastfallen har idealiserats och simulerats med hjälp av FEM-beräkningsprogrammet Creo Simulate. Resultatet av det genomförda arbetet visar på att det finns möjlighet för viktoptimering genom att tillämpa denna metod. Det bästa alternativet var en centrerad placering av lätthål mellan modulhålen och en större öppning vid området mellan dem två kontaktytorna för ramsidobalk och andra tvärbalken.

Nyckelord Konstruktion, Chassi, Ramsidobalk, Idealisering, Optimering.

Bachelor of Science Thesis TMT 2017:32

Weight optimization of chassis

Farid Khaldi

Darwn Kawa Mohammed Saeed

Approved

2017-06-13

Examiner KTH

Mark W. Lange

Supervisor KTH

Mark W. Lange

Commissioner

Scania CV AB

Contact person at company

Fady Aziz

Abstract The RTCB department is responsible for chassis development at Scania and are constantly working to develop and apply new solutions to produce more sustainable, cost effective and environmentally friendly chassis in order to maintain its place as one of the world's largest truck manufacturers and to deliver innovative technological solutions that meet tomorrow's needs. This degree project has been carried out with the aim of exploring the possibility of optimizing the weight of the truck chassis by removing material from the frame side beams in the form of lightening holes. The work concerned the truck configuration A4X2 with a wheelbases distance of 3750 mm. The goal was to optimize the weight of the frame side beams and provide support for the placement of the lightening holes on the current model. In order to determine whether the weight optimization is possible, three different load cases have been analysed. These load cases correspond to those extreme stresses that cause high tensions on the truck chassis and they have been idealized and simulated using the FEM calculation program Creo Simulate. The result of the work carried out shows that there is ability for weight optimization by applying this method. The best option was a centred placement of lightening holes between the module holes and a larger opening at the area between the two contact surfaces of the frame side beam and the second cross beam. Key-words Construction, Chassis, Frame side members, Idealization, Optimization.

Förord

Denna rapport är en skriftlig dokumentation på vårt examensarbete som är det avslutande momentet i högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik 180 högskolepoäng, vid Kungliga Tekniska Högskolan. Projektet omfattar 15 högskolepoäng och är utfört i samarbete med RTCB-gruppen på Scania Tekniskt Centrum. Vi vill rikta ett stort tack framförallt till två personer som har varit till stöd och försett oss med löpande feedback under projektets gång, Fady Aziz, vår handledare från RTCB-gruppen och Mark W.Lange, vår handledare på Kungliga Tekniska Högskolan. Vi vill även tacka följande personer som har delat med sig av sina kunskaper och erfarenheter på olika sätt. Nils Gunnar Olsson KTH Martin Hede RTCB Michael Alsén RTCB Jonas Hagsjö RTCC Simon Decaye RTCC Anders Johansson RTCC Mikael Ljungkrantz RTRS Anders Blom Ferruform AB Slutligen tackar vi alla våra lärare på Kungliga Tekniska Högskolan, våra klasskamrater, vänner och familj. Farid Khaldi & Darwn Kawa Mohammed Saeed Stockholm den 19 juni 2017

2 (77)

Innehåll Förord ........................................................................................................................................................... 1 1 Introduktion .......................................................................................................................................... 4

1.1 Bakgrund ......................................................................................................................................... 4 1.2 Syfte ................................................................................................................................................. 4 1.3 Mål ................................................................................................................................................... 4 1.4 Avgränsningar ................................................................................................................................. 5 1.5 Kravspecifikation ............................................................................................................................ 5 1.6 Lösningsmetod ................................................................................................................................ 5 1.7 Fasindelning .................................................................................................................................... 6

2 Bakgrund till lastfallen ......................................................................................................................... 8 2.1 Konsollastfall .................................................................................................................................. 8 2.2 Ramvridning ................................................................................................................................... 9 2.3 Vändskivafallet ................................................................................................................................ 9

3 Nulägesanalys ..................................................................................................................................... 10 3.1 Scania CV AB ................................................................................................................................. 10 3.2 Chassi ............................................................................................................................................ 11 3.3 Chassi för lastbils-typen A4X2 ..................................................................................................... 13 3.4 Rammonterade komponenter ....................................................................................................... 13

4 Benchmarking ..................................................................................................................................... 16 5 Tillverkningsmetoder (ferruform) ...................................................................................................... 18

5.1 Stansning ....................................................................................................................................... 18 5.2 Plasmaskärning ............................................................................................................................. 19 5.3 Tillverkningsprocessen ................................................................................................................. 19

6 Finit Element Metoden ....................................................................................................................... 22 7 Idealisering och simuleringsprocedur ................................................................................................ 25

7.1 Utveckling av FEA-modell ............................................................................................................ 25 7.1.1 Simplifiering av modellen .................................................................................................... 25 7.1.2 Materialegenskaper ............................................................................................................. 26 7.1.3 Gränssnittkontakt ............................................................................................................... 26 7.1.4 Step-filer ............................................................................................................................... 27 7.1.5 Elementnät ........................................................................................................................... 27

7.2 Zonuppdelning av ramsidobalk .................................................................................................... 27 7.3 Modellering av lätthål .................................................................................................................. 28 7.4 Beräkningar .................................................................................................................................. 29

7.4.1 Konsollastfall ....................................................................................................................... 30 7.4.2 Vändskivafallet ..................................................................................................................... 31 7.4.3 Ramvridning ......................................................................................................................... 33 7.4.4 Kablageöppning .................................................................................................................... 34 7.4.5 Utmattningsberäkningar ..................................................................................................... 35

8 Resultat .............................................................................................................................................. 36 8.1 Delresultat 1, konsollastfallet. ...................................................................................................... 36

3 (77)

8.2 Delresultat 2, vändskivafallet. ...................................................................................................... 37 8.3 Delresultat 3, ramvridning. .......................................................................................................... 39 8.4 Delresultat 4, kablageöppning. ..................................................................................................... 41 8.5 Delresultat 5, utmattning ............................................................................................................. 42 8.6 Slutresultat, placering av lätthål .................................................................................................. 44

9 Slutsats och rekommendationer ........................................................................................................ 46 Referenser .................................................................................................................................................. 48

Appendix ................................................................................................................................................ 50

4 (77)

1 Introduktion

I detta kapitel beskrivs bakgrunden till projektet, syftet, dem uppställda målen för projektet, avgränsningar och lösningsmetoden som används för att uppnå dem uppsatta målen.

1.1 Bakgrund Globalisering som genomsyrar världsekonomin medför en allt mer konkurrenskraftig marknad. Kraven som ställs från kunderna blir allt mer större och varierande samtidigt som konkurrensen ökar. Scanias CV AB som är en av världens största lastbilstillverkare har en vision om att alltid bemöta kundens behov genom att erbjuda och tillföra marknaden med dem bästa lösningarna. Därför arbetar chassiavdelningen på Scania ständigt för att tillverka lättare och mer robusta chassin. Detta medför framförallt minskat bränsleutsläpp från lastbilarna som i sin tur minimerar påverkan på miljön och bränslekonsumtionen. Samtidigt ökas nyttolasten vilket gör kunden nöjd och lastbilarna mer attraktiva på marknaden.

Scania lastbilsavdelning erbjuder i dag flera olika chassilösningar för olika lastbilskonfigurationer. Att minska och optimera vikten på lastbilen går att göra på flera delsystem. RTCB-avdelningen på Scania tekniskt centrum har fattat beslut om att viktoptimering ska beröra ramsidbalkarna på chassimodellen med störst produktionsvolym.

1.2 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att undersöka möjligheten att optimera vikten på chassit genom att skära bort material från ramsidobalkarna och samtidigt att undersöka hur produktionsprocessen påverkas. Detta genom att analysera hur ramsidobalken påverkas under olika lastfall.

1.3 Mål Målet med detta examensarbete är att främst:

• Optimera vikten på ramsidobalkarna.

• Öka nyttolast för kunden.

• Ge underlag för placering av lätthål.

5 (77)

1.4 Avgränsningar För att projektet ska vara möjligt att genomföra under bestämd tid om 10veckor som motsvarar 15ℎ𝑝 så kommer arbetet att endast beröra chassi av lastbils-typen 𝐴4𝑋2 med axelavstånd 3750𝑚𝑚.

• Ingen undersökning kommer att genomföras på tvärbalkarna eller andra moduler på lastbilen.

• Endast viktoptimering av ramsidobalkar genom att skära bort material kommer att tillämpas under detta projekt.

1.5 Kravspecifikation

• Gränssnitten mellan ramsidobalk och andra komponenter får inte modifieras.

• Spänningarna i lätthålen får inte överstiga materialets sträckgräns.

1.6 Lösningsmetod

• Projektplan:

En projektplan för arbetet kommer att framställas första veckan för att organisera och bestämma projektets olika faser och därmed ställa upp tydliga delmål och deadlines.

• Faktainsamling:

En del av projektet kommer att avsättas för att öka kunskap inom berörd ämnesområdet. Detta genom besök hos olika avdelningar på Scania, benchmarking och nulägesanalys.

• Uppföljningsmöten

Uppföljningsmöte med handledare på Scania för att se över projektet och säkra framsteg.

• Metod:

Upprätta en metod för genomförande av arbetet som kommer ligga till grund för det framställda resultatet.

• CAD: Modellering av sidbalkarna med olika mönster i Creo Parametric 3.

• FEM: Finit element metoden kommer att tillämpas för att beräkna spänningar på förenklade chassimodeller.

6 (77)

• Dokumentation:

Arbetet kommer att dokumenteras i form av rapport, poster och presentationsmaterial.

1.7 Fasindelning

Figur 1-1 representerar dem faser projektet har delats upp i. Projektet består av 5 faser med olika delmål och deadlines. Figuren visar även på den iterativa processen som kännetecknat genomförandet av arbetet.

Figur 1-1 Överblick över projektets fem faser.

Projektets faser

Planering Förstudie Utveckla FEA-modell

FEM-beräkning Presentation

FEA-modell

FEM-beräkning

Utvärdering

7 (77)

8 (77)

2 Bakgrund till lastfallen

Detta kapitel presenterar bakgrunden till dem olika lastfallen som har varit till grund för utvärdering om metoden att optimera ramsidobalken är möjlig genom att skära bort material.

Det finns flera olika lastfall som används vid beräkning av hållfasthet och utmattning för lastbilschassi. Lastfallen bestäms beroende på konstruktion och användningsområde. För att underlätta beräkningar görs förenklingar av de olika krafter som belastar lastbilens chassi under olika driftförhållanden. I detta arbete har tre olika lastfall använts som anses ge en bra grund och förståelse till de extremaste påfrestningarna som uppkommer under olika driftförhållanden och är baserade på Scanias erfarenhet och tester.

2.1 Konsollastfall Ramsidobalken av ett chassi kan utsättas för mycket stora påkänningar vid drift på ojämna vägunderlag eller vid acceleration och retardation. Detta på grund av de rammonterade komponenter av större massa som alstrar en osymmetrisk belastning mot lastbilens chassi på grund av den osymmetriska placeringen av komponenterna. Detta medför att spänningen blir högre på den ena ramsidobalk jämfört med den andra. Dessa påkänningar uppstår när de rammonteradekomponenterna vibrerar i både horisontell- och vertikalled till följd av drift på ojämnt underlag. Därför är det viktig att ta hänsyn till dessa krafter. I undersökningen har en bränsletank med en volym på 750liter använts för att representera det extremaste påkänningar som kan uppstå av en rammonterad komponent.

Figur 2-1 En rammonterad bränsletank, (TRUCKSXL, 2013)i.

i Bilden är beskuren och visar endast det som bidrar till ökad förståelse.

9 (77)

2.2 Ramvridning Liksom konsollastfall uppkommer ramvridning då lastbilen färdas eller står parkerad på ett ojämnt underlag. Ojämnheterna leder till att ena änden av ramsidobalken förskjuts upp eller ner i vertikalled i förhållande till den andra, detta skapar ett vridmoment som vrider ramsidobalken en viss grad per meter beroende på balkens styvhet, längd och antal tvärbalkar, (7026787)i.

Figur 2-2 Ramvridning av ett chassi (The Garage Journal, 2014)ii.

2.3 Vändskivafallet Lasten från släpet orsakar spänningar på vändskivan eller piedestalerna i båda Vertikal, horisontell och sidled. De extremaste påkänningarna som kan uppstå är i sidled som kallas även för krängning och uppstår vid kurvtagning.

i Internt dokument, Scania CV AB. ii Bilden är beskuren och visar endast det som bidrar till ökad förståelse.

10 (77)

3 Nulägesanalys

Detta kapitel innehåller en kort presentation om Scania och information som kan behövas för att ge läsaren en allmän beskrivning om lastbilschassi på Scania samt en fördjupning i den modell som berörs av arbetet.

3.1 Scania CV AB Scania är ett globalt företag som tillverkar tunga lastbilar, bussar samt marinmotorer och är verksam i100länder. En viktig och växande del av företaget utgörs av tjänster inom service och kundfinansiering. Scanias huvudkontor ligger i Södertälje, Sverige där även forskning och utveckling sker. Enligt Scanias redovisningsrapport för 2015 hade Scania cirka 44000 anställda på företaget. Under år 2015 uppnåddes en försäljning på hela 69762 lastbilar, 6799 bussar, 8485 motorer och20585 tjänster. Detta resulterade en omsättning på cirka 95miljarder svenska kronor och ett rörelseresultat på cirka 9,64 miljarder svenska kronor samma år (Scania AB, 2017). Scanias största huvudmarknad är Europa och Latinamerika. Förutom Sverige tillverkas och monteras Scanias produkter även i Brasilien, Frankrike och Holland. Scanias vision är att vara ledande inom hållbara transporter, samtidigt skapa värde för sina kunder, medarbetare och samhället genom att leverera innovativa tekniska lösningar som tillfredsställer morgondagensbehov. Scania är ett hållbart företag som bygger på tre grundprinciper. Att alltid ha kunden i fokus, respekt för individen och att alltid leverera kvalitativa produkter. Dessa grundprinciper förenat med hög kompetens och god ledarskap ser till att Scania alltid befinner sig i framkanten och fortsätter att utvecklas. Företagsfilosofin på Scania Research & Development illustreras av Scaniahuset i figur 3-1.

Figur 3-1 Scaniahuset. (Pettersson, 2012)

11 (77)

3.2 Chassi Chassi är stommen av ett fordon, den bärande delen. På lastbilschassi brukar flera tunga komponenter vara direktmonterade på chassits ramsidobalkar, till det tillhör bland annat komponenter så som motorn, växellådan, fjädersystem, axlar och vändskiva samt flera andra mindre komponenter. Ett chassi ser till att även hålla ihop alla delar av ett fordon på ett strukturerat sätt. På Scania men även allmänt delas lastbilar i två grupper, Articulated och Basic där Basic har ett betydligt större axelavstånd mellan den första och den sista axeln jämfört med Articulated. Lastbilar i gruppen Basic kännetecknas av att även ha en påbyggd släpvagn medan Articulated är fria och kan kopplas ihop med en släpvagn via kopplingsanordning i form av en vändskiva. Båda grupperna har dessutom en hierarki av olika axelkonfigurationer och chassihöjd. Figur 3-2 illustrerar några exempel på axelkonfigurationer i båda grupperna.

De svartmarkerade hjulen och axlarna indikerar att det är en drivande axel. De hjulpar som är snedvinklade påvisar att det är styrande.

Figur 3-2. Exempel på axelkonfiguration för Scanias lastbilar.

Scania tillämpar ett modulärt produktionssystem. Detta medför att lastbilar som tillverkas är kundanpassade vilket innebär att kunden har möjlighet att bygga sin lastbil efter dem behov och önskemål som finns. Men det finns vissa delar som är standardiserade och gäller för flera modeller. Ramsidobalkarna för bland annat fordon av lastbils-typen 4𝑋2, 6𝑋2 och 8𝑋4 är alltid vid den främre delen vinklade 2,7° utåt relativ chassits längsgående axel vilket medför att chassits framdel är bredare än den bakre delen. Avståndet mellan ramsidobalkarna är standardiserat detsamma gäller positionen för den första, andra och tredje tvärbalken relativt frontaxeln. Det totala antalet tvärbalkar som används i varje chassi beror på chassits längd och

Articulated Basic

12 (77)

axelavstånd. Placering av dem resterade tvärbalkar styrs främst av de krafter som belastar chassit.

Figur 3-3. Illustration av de standardiserade måtten på Scania chassi. De komponenter som monteras på chassit via ramsidobalkarna har ett modulärt gränssnittsystem i form av modulhål med ett standardiserat avstånd mellan varandra. Detta finns på lastbils-typen med axelkonfiguration 4𝑋2, 6𝑋2 och 8𝑋4. Oftast så framställs endast dem modulhål som behövs men ibland förekommer det att modulhålen tillverkas för att möjliggöra för kunden framtida påbyggnadtillägg. Största modulhål är 20,5𝑚𝑚 i diameter. Ramsidobalkarna är alltid U-formade och förekommer även i olika tjocklekar. Vissa ramsidobalkar har även förstärkning i form av ramförstärkare vid områden som är lokalt i behov av starkare ram.

Figur 3-4. Position för modulhål.

2055

1067

2,7°

2075

13221030

770

[mm]

50 50

50

50

50

60

60

[mm]

13 (77)

3.3 Chassi för lastbils-typen A4X2 Ramsidobalkarna som har viktoptimerats under detta projekt tillhör ett chassi för en lastbil av typen 𝐴4𝑋2. Chassit har ett axelavstånd på 3750𝑚𝑚 och längden på ramsidobalken är 5551𝑚𝑚. De två ramsidobalkarna tillsammans med fyra tvärbalkar och en balk i änden utgör stommen för hela chassit. Ramsidobalkarna är U-formade och 8𝑚𝑚 tjocka. Avståndet mellan den fjärde balken och bakaxeln är 625𝑚𝑚.

Figur 3-6 Topp-vy av chassi som berörs av viktoptimeringen.

3.4 Rammonterade komponenter I detta avsnitt presenteras dem komponenter av större storlek som är direktmonterade på ramsidobalken. Ramsidobalken blir konstant belastad av de stora komponenterna. Dessa belastningar kan bli väldigt stora under olika driftförhållanden. Krafterna överförs via gränssnittet mot ramsidobalken och medför stora spänningar på den. Därför är det av intresse att ta reda på vikten, formen och placering av dessa extrema komponenter. Scania har i dagsläget fyra olika serier av bränsletankar nämligen General, wide, cylindrical och extra wide där varje tankemodell har olika volymer som visas i tabellen nedan. Varje tankemodell har designat efter olika driftbehov och villkor där hänsyn har tagits till olika vägförhållanden. Tabell 3-1 Volymstorlek i liter för olika bränsletankar.

General Wide Cylindrical Extra Wide

– – – Ej symmetrisk Symetrisk 150 – 450 150 – 700 330 – 440 540 – 1000 320 – 750

[mm]

Figur 3-5. Ramsidobalkens tvärsnittsprofil.

14 (77)

Figur 3-7 Illustration av olika bränsletankar (Pettersson, 2012). Idag används konsoler och mellanlägg för att hänga upp bränsletankarna på ramsidobalkarna via remmar som sitter runt tanken. Mellanläggen hjälper konsolerna att kunna positionera bränsletanken oberoende av den vinklade ramsidobalken.

Figur 3-8 Exempel på bränsletank med gränssnitt mot ramsidobalken.

Tankemodellen som ska användas under detta examensarbete har en volym på 750 liter och är positionerad på den vänstra ramsidobalken där de tre kontaktytorna är placerade i följd med ett avstånd från framaxeln på 1600𝑚𝑚, 2250𝑚𝑚 och 2650𝑚𝑚 ifrån framaxeln.

15 (77)

16 (77)

4 Benchmarking

I detta kapitel presenteras exempel av viktreduceringar på chassi av andra lastbilstillverkare som också har använt sig av lätthål men även andra metoder. Syftet med benchmarking är att systematisk lära sig av andra företag om hur de har löst liknande problem för att få mer insikt och kunskap som leder till förbättringar och som senare ska kunna tillämpas i lösningen och om möjligt göra det bättre. En av de lastbilstillverkarna som finns idag på marknaden har i deras nya lastbilsmodell tillämpat en metod för att minska vikten på deras ramsidobalkar via borttagning av material genom att framställa alla modulhål längs med ramsidobalken även om de inte ska användas vid montering av rammonterade komponenter. Samtidigt har man lagt ut lätthål av större diameter på ett strukturerat sätt mellan dem två mellersta modulhålsraderna med jämna och betydligt längre avstånd mellan varandra jämfört med modulhålen. (De två bilderna till vänster i figur 4-1). En annan lastbilstillverkare har optimerat vikten på ramsidobalken genom att göra färre men större lätthål på lämpliga områden. De större lätthålen har varit antingen runda eller ovala i sin form.

Figur 4-1. Olika hålmönster för viktoptimering på ramsidobalkar hos konkurrerande lastbilstillverkare.

Exempel på hur andra tillverkare har gjort

17 (77)

En annan konkurrerande lastbilstillverkare har i ett koncept genomfört viktoptimering på en lastbil med en betydligt mindre tjänstevikt. Syftet med arbetet är att minska bränsleförbrukning som i sig leder till minskat 𝐶𝑂5-utsläpp och samtidigt öka nyttolasten på lastbilen. Viktoptimeringen gick ut på att testa ett lättare material med målet att uppnå ett optimalt förhållande mellan styvhet och vikt. I projektet har företaget givit förslag i form av olika koncept på denna lastbil, där de har använt sig av aluminium på de flesta delarna av chassit och hjulupphängningen. De har åstadkommit ett resultat på cirka 30% mindre vikt genom att designa om vissa delar såsom chassit, framvagn och styrning, (DAF a paccar company, 2017). De ovan nämnda exemplen från konkurrerande lastbilstillverkare tyder på att det finns möjlighet att optimera vikten på ett chassi på flera olika sätt. De mest uppkommande metoderna har varit genom att antigen skära bort material eller genom att använda ett lättare material med extra förstärkning på de områden som är kritiska.

18 (77)

5 Tillverkningsmetoder (ferruform)

För att öka kunskapen om ramsidobalkar så har en undersökning genomförts om hur tillverkningen går till just hos Scania och vilka aktörer som medverkar i denna process.

Ferruform AB är ett dotterbolag till Scania AB vars grundverksamhet är tillverkning av chassikomponenter och chassimonterade komponenter så som tvärbalkar, ramsidobalkar, bakaxelbryggor och stötfångare. Ferruform har även en medverka i tillverkning av vissa komponenter för Scanias bussar, (Scania Ferruform AB, 2016).

Eftersom Ferruform är tillverkarna av ramsidobalkarna på Scanias lastbilar så är det av intresse att redan i ett tidigt stadie reda ut vilka tillverkningsmetoder som används och hur tillverkningsprocessen ser ut, samt att ta reda på vilka kriterier som gäller för varje metod.

På Ferruform finns det två huvudtekniker som tillämpas för att skära bort material från ramsidobalkarna. Den ena tekniken är stansning medan den andra möjligheten är att använda plasma teknik. Varje teknik har sina för- och nackdelar i förhållande till varandra. Därför är det viktigt att välja teknik utifrån de behov som finns.

5.1 Stansning Stansning är en klippande metod för att framställa hål i plåt. Metoden innebär att det rörliga verktyget pressar bort material genom en fast dyna. Detta sker med en kraft som är i proportion mot arean som ska klippas bort. Det första som sker i förloppet för stansning av hål är en elastisk deformation när stansen kommer i kontakt med materialet, sedan övergår materialet till ett plasticerat tillstånd, därpå avslutas det med ett brott, (Ragnarsson, 2013).

Nedan listas för- och nackdelar för stansning med hänsyn till den utrustning som finns tillgänglig hos Ferruform.

Fördelar:

• Kostnadseffektiv metod. • Ingen efterbearbetning krävs. • Går att tillverka stora serier åt gången. • Anpassningsbar efter kundbehov.

Nackdelar:

• Går endast att stansa hål från 𝑃𝐷1468655i. • Max håldiameter är 20,5 mm. • Max plåttjocklek är 9,5 mm.

i Internt dokument, Scania CV AB.

19 (77)

5.2 Plasmaskärning Denna teknik finns i både handhållen och datorstyrd modell. Den datorstyrda lämpar sig för högserietillverkning och används ofta i bilindustrin. Med en plasmateknik går det att skära stål upp mot 150 mm i tjocklek med väldigt hög precision. Plasmaskärning går till så att komprimerad gas blåses med hög hastighet igenom ett munstycke, där skapas en ljusbåge mellan elektroden och arbetsstycket. Detta leder till att en del av gasen joniseras vilket medför att en tillräckligt varm och elektrisk ledande plasma skapas som klarar av att smälta igenom arbetsstycket, (Svensk Laserskärning AB, u.d.).

Nedan listas för- och nackdelar för stansning med hänsyn till den utrustning som finns tillgänglig hos Ferruform.

Fördelar:

• Möjlighet att skära i komplexa former. • Hög noggrannhet.

Nackdelar:

• Dyr metod jämfört med stansning • Kräver efterbearbetning. • Utöver dem valbara hålen enligt 𝑃𝐷1468655i så måste nya program skapas.

5.3 Tillverkningsprocessen Tillverkningsprocessen för ramsidobalkar på Ferruform illustreras i figur 5-1. Utifrån den teknik som ska användas för att skära bort material för viktoptimering och tillverkningsprocessen så går det att identifiera vilka processteg som kommer att påverkas. Det är steg 5och steg 7. Det kommer att ske en extra fördröjning i produktionen då varje extra hål medför en extra tidskostnad.


20 (77)

Figur 5-1 Tillverkningsprocessen av ramsidobalkar.

Inmatning

Rullformning

Kapningavbalk

Plasmaskärning

Livhåltagning

Flänshåltagning

Avlägsning avslagg

Kodmärkning

Avsyning

Packning

Riggningavcoil

21 (77)

22 (77)

6 Finit Element Metoden

Kapitlet ger en överblick om hur finit element metoden (FEM) tillämpas i praktik.

Finit element metoden eller FEM är en av dagens viktigaste ingenjörsverktyg inom mekanisk konstruktion. Metoden är numerisk och ger användaren en approximativ lösning. Den är lämplig att använda när hållfasthetsberäkningar ska genomföras på komplexa geometrier med komplexa randvillkor, (Nilsson, 2016).

Innan en FE-beräkning kan genomföras så måste konstruktionen genomgå en idealiseringsprocess från den verkliga världen till en förenklad modell som är anpassad för FEM. Denna förenklade process beskrivs i figur 1.

Figur 6-1 Tillvägagång för utveckling av en FEA-modell, (Roger, 2012).

Första steget är övergången från den verkliga världen till en förenklad fysisk modell. Detta innebär att modellen ska simplifieras genom att exkludera geometrier som inte förväntas påverka tolkningen av resultatet från FEM-beräkningarna. Detta kräver en hel del erfarenhet inom modellering och förståelse för den bakomliggande teorin i FEM samt kännedom och erfarenhet för mjukvaran som använts för genomförandet av FEM-beräkningarna. Det är även viktigt att tag hänsyn till antaganden så som att materialen är homogena, isotropa och fria från interna defekter. Därpå så ska en matematisk modell byggas upp vilket innebär att modellen anpassas så att dem bakomliggande matematiska beräkningarna som i sig består av ett antal differential ekvationer blir genomförbara. Detta genom antaganden såsom att materialegenskaperna har ett linjärt förhållande, förenklade lastfall som ibland kan kännetecknas av en hög grad av komplexitet och att definiera alla randvillkor.

23 (77)

Slutligen när modellen är förenklad så delas den upp i ett flertal små diskreta element där varje element representerar en simuleringsbar linjär ekvation som tillsammans utgör sammanställningen av modellens samtliga element, (Roger, 2012).

Idag finns FEM-metoden integrerad i ett flertal CAD-program. Gällande användningen så är grunden den samma för dem flesta programmen men det kan skilja sig åt ibland. I detta projekt så kommer Creo Simulate att användas. Creo Simulate finns integrerat i CAD-verktyget Creo Parametric 3 där följande processteg enligt figur 2 gäller.

Figur 6-2 Övergripande processteg för FEA-lösning i Creo Simulate, (Roger, 2012).

24 (77)

25 (77)

7 Idealisering och simuleringsprocedur

I detta kapitel beskrivs arbetsgången, hur idealiseringsprocessen har gått till samt alla antaganden och randvillkor för varje lastfall.

7.1 Utveckling av FEA-modell Samtliga FEM-beräkningar genomfördes med förenklade modeller av det chassi som arbetet berör. Därför var det viktigt att redan från början bygga en FEA-modell och tidigt bestämma sig för hur gränssnittskontakter mellan olika komponenter ska idealiseras, vilken typ av mesh som ska användas samt hur randvilkoren ska definieras.

7.1.1 Simplifiering av modellen

Till en början så minskades antalet komponenter i den befintliga sammanställningsfilen som i sig består av ett stort antal delkomponenter och som tillsammans bildar ett mycket komplext system. Förenklingen grundar sig i att använda dem inbyggda idealiseringsverktygen som finns tillgängliga i Creo Simulate och som kan ersätta exempelvis skruvförband samt genom att utesluta komponenter där uteslutning inte bidrar till misstolkning av resultat. Förenklingen gjorde att det blev lättare att analysera och tolka resultaten på dem områden av intresse samt reducera beräkningstiden i FEM-programmet. Simplifiering av modellen illustreras i figur 7-1 där det tydligt syns att antalet komponenter har minimerats beroende på det lastfall som ska studeras. Det som kvarstår är endast de delar av modellen som bidrar till förståelse av resultaten.

Figur 7-1. Förenklade modeller av chassi för varje lastfall. konsolfallet

Vändskivafallet Ramvridning

26 (77)

Det som är viktigt att påpeka är att FEA-modellen justeras en aning beroende på vilket lastfall som ska analyseras men grundprincipen är den samma under alla lastfall.

7.1.2 Materialegenskaper

Materialet som använts för beräkningarna är det förinställda stål-materialet i Creo parametric 3, steel. Egenskaperna motsvarar dem egenskaper materialet 𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 består av. Sammanfattning av materialegenskaper som antogs utöver sträckgränsen på 500𝑀𝑃𝑎 brottgränsen på 550𝑀𝑃𝑎 under samtliga beräkningar finns i tabellen nedan. Tabell 7-1. Materialegenskaper för FEM-beräkning.

Desity Symmetry Stress-strain Respons Poisson Young´s Modul

7.827𝐾𝑔/𝑚𝑚^3 𝐼𝑠𝑜𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐 𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 0,27 200𝐺𝑃𝑎

7.1.3 Gränssnittkontakt

För definition mellan två kontaktytor som i verkligheten är bundna med skruvförband eller på ett annat sätt så har en förenkling genomförts genom att binda ytorna på ett sådant sätt att friktionen mellan ytorna går att betrakta som oändligt stor, vilket leder till att ytorna aldrig kan glida isär från varandra. Detta innebär att kontaktytorna anses vara bundna till varandra. För denna sorts idealisering har verktyget Interface av typen Bonded använts. Denna typ av koppling används för att ansluta de ytor från komponenter som berör varandra i en sammanställning och fungerar som om de är ihop limmade. Belastningar mellan de bundna komponenterna överförs via deras gemensamma gränssnitt och de kommer aldrig att sära sig från varandra i analysen. När elementnätet genereras så kommer noderna från den ena komponenten att sammanfogas med den överlappande noden från den andra komponenten.

Efter att kontaktytorna har sammanlänkats med varandra i en sammanställning så kommer Creo Simulate automatikst att generera den resulterande kraften över det bundna gränssnittet. Detta betyder att de fungerar som om de är en och samma komponent (PTC, 2017).

27 (77)

Figur 7-2. Idealisering av gränssnittkontakt i Creo Simulat.

7.1.4 Step-filer

FEA-modellen består av dels step-filer som konverterats till Creo Parametric och komponenter som modellerats om i Creo Parametric. Dem komponenter som har modellerats om är ramsidobalkarna, den tredje tvärbalken samt en förenkling av fjäderfäste, (se appendix 1). Anledningar till det var att dem konverterade step-filerna för dessa komponenter var svåra att mesha (skapa element) och innehöll toleranser som låg utanför den räckvidd som antogs under autogenereringen av elementnät.

7.1.5 Elementnät

I Creo Simulate finns det möjlighet att välja mellan olika typer av elementnät. Solid, shell, beam elements eller en blandning mellan shell- och solidelement. Varje elementtyp har sina fördelar mot en annan typ beroende på vad som ska studeras. Under detta projekt så har elementnät av typen solid använts. Innan beräkningar påbörjas så finns valet att på egenhand kontrollera meshen eller låta programmet genomföra en autogenerering. Det senare alternativet har tillämpats under alla beräkningar. Tabell 7-2. Det gemensamma analysinställningar för samtliga beräkningar.

Material Elementnät Gränssnittskontakt Konvergensgrad Analystyp

𝑠𝑡å𝑙 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒𝑎𝑣𝑡𝑦𝑝𝑒𝑛𝐵𝑜𝑛𝑑𝑒𝑑 15% 𝑆𝑡𝑎𝑡𝑖𝑠𝑘

7.2 Zonuppdelning av ramsidobalk För att enkelt kunna organisera arbetet så har en zonuppdelning av ramsidobalken upprättats. Detta för att under arbetet enkelt kunna ange dem områden som visar sig vara kritiska för utplacering av lätthål. Ramsidobalken har delats upp i sju zoner. Det som även går att betrakta i figur 7-3 är fyra rader med röda kryss längs med hela ramsidobalken. Kryssen representerar placering av modulhål. Platsen för modulhålen är reserverad för montering av rammonterade komponenter och tvärbalkar och går

28 (77)

inte att ändra på enligt kravspecifikationen. Därför är det ytterst viktigt att tag hänsyn till denna faktor när placering av lätthål utförs.

Figur 7-3. Zonuppdelning av ramsidobalk.

7.3 Modellering av lätthål Samtliga lätthål är anpassade efter den tillverkningsmetod som tillämpas hos Ferruform. För placering av hålen har riktlinjer enligt dokument 1524950ianvänts, . Dokumentet beskriver bland annat det minimala tillåtna avståndet mellan två närliggande hål och det minsta tillåtna avståndet mellan hål och flänsradien beroende på hålstorlek och ramsidobalkens tjocklek.

Tre varianter av lätthål har använts och analyserats i FEM-beräkningar med olika lastfall. Lätthål variant A är ett cirkulärt hål med diametern 20,5𝑚𝑚. Det är det absolut största runda hål som går att stansa med den tillgängliga maskinen hos ferruform. Variant A medger en viktbesparing på 20𝑔 per lätthål och går att modulanpassa för tillämpning hos alla lastbilskonfigurationer. Lätthålet har placerats i centrum mellan fyra närliggande modulhål och är utspridda över alla zoner förutom 𝑧𝑜𝑛6.

Variant B är ett större cirkulärt lätthål med radien 50𝑚𝑚. Hålet är tänkt att plasmaskäras och placeringen för det är i 𝑧𝑜𝑛6 precis mellan kontaktytan för den fjärde tvärbalken och ramsidobalken.

Variant C är ett ovalt hål centrerat mellan dem två kontaktytorna för tvärbalk och ramsidobalk, 𝑧𝑜𝑛2. Hålet har dubbla budskap. Det första är precis som alla lätthål att optimera vikten på chassit och det andra budskapet är att tillåta överföring av kablage. Variant C har testats i två versioner. Måtten finns i appendix 2.

Den strukturerade placeringen av lätthålen medger en enkel montering och positionering av komponenter och demontering vid service eller slitage av delkomponenter samt är den produktionsvänlig.


Zon1 Zon2 Zon3 Zon4 Zon5 Zon6 Zon7

29 (77)

Figur 7-4. Lätthålens storlek och placering.

7.4 Beräkningar I denna del av kapitel 7 presenteras de beräkningar och acceptanskriterier som kommer ligga i grund för det förslag för placering av lätthål som kommer att presenteras i slutresultatet. Tre olika lastfall har analyserats. Lastfallen är förenklade modeller av de påkänningar som kan uppstå under drift. Alla lastfall är statiska. Vilket innebär att summan av alla krafter blir noll.

∑𝐹 = 0 1

Metodiken har varit den samma för alla lastfall. Börja med att definiera randvillkor för lastfallet. Sedan genomförs en referensanalys på den idealisering av chassi utan lätthål på ramsidobalkarna. Därpå genomförs beräkningar med lätthål på ramsidobalken. Därefter jämförs de resultat med varandra för att se hur lätthålen har påverkat spänningsfördelning och deformationerna längs med ramsidobalken samt kontrolleras om spänningarna överstiger sträckgränsen för materialet 𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500. Slutligen genomförs utmatningsberäkningar för att säkerställa att spänningarna understiger acceptanskriterier för stansade hål och plasmaskurna hål. Figur 7.5 illustrerar metodiken som har använts.

30 (77)

Figur 7-5. Metodik för utvärdering.

7.4.1 Konsollastfall

För detta lastfall så har en kraft applicerats i tyngpunken av en 750liters tank, storleken på kraften motsvara en full tank med dieselbränsle. Kraften har sedan multiplicerats med gravitationskonstanten och därpå med 10 i x-led och 15 i z-led enligt dokument 𝑅𝑇𝐶12_007i.

Ramsidobalkens bakre och främre ändar var fastlåst i alla sina frihetsgrader. Beräkningar har även genomförts med motsatt riktning för både x- och z-led. Bränsletanken som har valts ut motsvarar den största möjliga som går att montera på den typ av chassi som studeras.


Idialiseringavchassi

Definitionavrandvillkor

FEM-beräkningRamsidobalkutanlätthål

FEM-beräkningRamsidobalkmedlätthål

Resultatjämförelse

Kontrollmotsträckgräns

Kontrollmotutmattning

31 (77)

Figur 7-6. Till vänster kraft i färdriktning och till höger kraften i gravitationsriktning.

Bränsletanken idealiserades genom att använda verktyget weighted link. Anledningen för det är att spara tid då en extra komponent skapar ytterligare ett flertal element som i sin tur medför extra beräkningar i programmet.

Wighted link fungerar så att en kraft appliceras på en nod som av programmet betraktas vara källan till kraften. Denna kraft distribueras sedan på ett balanserat sätt till mål-noderna via en länk, (PTC, 2017).

Bränsletanken som valts för lastfallet har tre remmar som håller fast den via gränssnittet mot ramsidobalken.

Figur 7-7. Idealisering av påkänningar från bränsletanken på ramsidobalken.

7.4.2 Vändskivafallet För att studera vändskivafallet så har flera analyser genomförts med olika hålmönster samt kraftriktningar. Nedan kommer endast det absolut extremaste fallet att presenteras, de resterande finns i appendix 6 och appendix 7.

Två fall för konsollastfallet

!" = 750( ) 0.82 -./ ) 0 ) 10 = 61,545 !6 = 750( ) 0.82 -./ ) 0 ) 15 = 92,25kN

Låst

!6

Låst

!"

750%&'()Tyngdpunkten i centrum av tanken

Idealisering av rammonterad bränsletank

32 (77)

Vändskivafallet ska representera dem största påkänningar från ett släp. Krafterna som har applicerats är en förenkling och anpassade för att kunna genomföra ett statiskt beräkningsfall. De krafter som har applicerats ska motsvara de påkänningar som framkommer i större lastbilsmodeller än den modell som används i studien. Därför kan detta lastfall ses som det absolut extremaste av dem lastfall som har studerats.

Krafterna är fördelade på de två piedestalerna som är direkt monterade på ramsidobalken. I den första beräkningen så var krafterna ojämnt fördelade vilket representerar de påkänningar som framkommer vid kurvtagning.

Piedestalerna är placerade på ramsidobalken enligt dokument 2133400i. I detta lastfall så har kontaktytan idealiserats på samma sätt som i konsollastfallet.

Randvillkoren är uppställda på ett sådant sätt att resultaten bevarar sig verklighetstrogna även fast modellen är förenklad.

Figur 7-8. Randvillkor för vändskivafallet.


Idealiseringochrandvillkorförvändskivafallet

Förhindradtranslation

Fritranslation

Förhindradrotation

Frirotation

33 (77)

Tabell 7-4 beskriver de olika lätthålsmönster som har använts och jämförts mot varandra. Tabell 7-3. Lätthålsmönster.

Variant av lätthål Antal rader Avstånd mellan

Lätthålsmönster 1 A 3 50 mm Lätthålsmönster 2 A 1 50 mm Lätthålsmönster 3 A 1 100 mm Lätthålsmönster 4 A 3 100 mm

7.4.3 Ramvridning Ramvridning genomfördes på en modell bestående av två ramsidobalkar, tre tvärbalkar och två förenklade fjäderfästen. Fallet ramvridning ska representera de krafter som uppstår när en lastbil färdas eller står parkerad på ett ojämnt underlag som medför att ena hjulparet hamnar i ett förskjutet läge uppåt i förhållande till det andra hjulparet. För att idealisera detta har två lika stora krafter med motsatt riktning applicerats på den främre änden av ramsidobalkarna.

Tabellen nedan förklarar vad olika kombinationer av axial- och rotation-egenskaperna för verktyget Pin Constraint leder till.

Tabell 7-4. Beskrivning av olika kombinationer för verktyget Pin Constraint i Creo Simulate.

Rotation Axialförskjutning Pin Constraint

Tillåter endast rotation och axialförskjutning

Tillåter endast rotation

Tillåter endast

axialförskjutning

Alla frihetsgrader låsta

Modellen har spänts fast via tre lägen i alla lägen har verktyget Pin Constraint använts. Det första var genom ett genomgående hål i den fjärde tvärbalken, här valdes egenskapen att tillåta rotation kring och axialförskjutning längs med det genomgående hålets axel. De två andra var via fjäderfästets montagehål. Här valdes

34 (77)

egenskapen att endast tillåta fri rotation kring axeln för respektive montagehål. Dessa randvillkor har varit noggrant genomtänkta för att åstadkomma ett så pass verklighets troget resultat som möjligt trots den förenklingen av chassit.

Slutligen genomfördes beräkningar för att säkerställa att acceptanskriteriet för ramvridning var uppfyllt. Acceptanskriteriet är hämtat från dokument 7044960i.

Figur 7-9. Randvillkor för lastfallet ramvridning.

Kontroll mot acceptanskriteriet för ramvridning beräknades enligt figuren nedan och ekvationerna2 och 3.

𝑎 = arcsin bc5

2

𝛽=ef 3

Figur 7-10 . Illustration av ramvridning sedd från frontläge.

7.4.4 Kablageöppning Ramsidobalken testades med två olika versioner av kablageöppningar, nämligen kablageöppning 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛1 och kablageöppning 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2. Måtten och placering finns i


−#$

#$

!ℎ

35 (77)

appendix 2. Till en början så utfördes FEM-beräkningar under konsollastfallet för att därpå beroende av resultat gå vidare med den version av kablageöppning som visar bäst resultat och genomföra FEM-beräkningar för fallet ramvridning. För ramsidobalk med kablageöppning uteslöts vändskivafallet på grund av att kablageöppningen låg utanför de zoner som studeras med vändskivafallet.

7.4.5 Utmattningsberäkningar Slutligen så genomfördes en kontroll mot utmattning på lätthålsmönster och kablageöppning som påvisade bäst resultat under de olika lastfallen. utmattningsberäkningar gjordes på kablageöppning 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2 och de lätthål med störst spänning per lastfall. Inget haigh-diagram behövdes framställas då det redan fanns en färdig mall för det.

Nedan följer antaganden som använts:

• Materialegenskaper från 𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500. Sträckgränsen 𝑅gh5 = 500𝑀𝑃𝑎. Brottgränsen 𝑅i = 550𝑀𝑃𝑎.

• Högcykelutmattning, 10j cykler. • 50% sannolikhetnivå. • Ytfinhet /kvalité, 𝑅k = 30𝜇𝑚. • Koncentrationsfaktor, 𝐾m = 1,05.

Beräkning av amplitudspänning och mittspänning har följande formel använts, (KTH, 1998).

σo = p5σoqr + σotu 4

σq =p5σoqr − σotu 5

36 (77)

8 Resultat

Kapitlet sammanfattar all resultat från samtliga lastfall som ligger till grund för det förslag av placering av lätthål som presenteras i slutresultatet. Spänningar som visas är effektiv spänningar enligt Von Mises.

8.1 Delresultat 1, konsollastfallet. I konsollastfallet var störst påkänningar på ramsidobalken då kraften applicerades i z-led. Resultatet från analyserna visar höga spänningar vid gränssnittområdena mellan tvärbalkarna och ramsidobalkarna. För spänningar kring lätthålen observerades högst spänning vid 𝑧𝑜𝑛2, området mellan gränssnittet för den andra tvärbalken och ramsidobalken. Effektivspänningen enligt Von Mises var 300𝑀𝑃𝑎, en bra bit ifrån sträckgränsen för materialet 𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500.

Jämförelsen mellan referensanalysen och analysen med lätthål visade inga stora skillnader. De områdena med höga och låga spänningar för referensanalysen hade nästan samma värden vid beräkning med lätthål. Detta indikerar att lätthålen inte hade en betydligt stor inverka på ramsidobalkens styvhet just i detta lastafall.

Figur 8-1. Spänningar över chassi med och utan lätthål.

Kritiskaområden!Storspänninglokaltvidgränssnitten

Maxspänningförlätthål

Spänningarundersträckgränsen

37 (77)

Gällande deformationerna så uppmättes inga stora förändringar mellan referensanalysen och analysen med lätthål. Appendix 5 sammanfattar alla delresultat för konsollastfallet.

Tabellen nedan visar den procentuella ökningen av spänningen på området med lätthål som visar högst spänning jämfört med hur spänningen var på samma område utan lätthål.

Tabell. 8-1 Spänningsökning, konsollastfall.

Material Sträckgräns Utan lätthål Med lätthål Spänningsökning

𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 500𝑀𝑃𝑎 130 300𝑀𝑃𝑎 130%

8.2 Delresultat 2, vändskivafallet. Den första beräkningen var en referensberäkning för modellen utan lätthål. Referensberäkningen visade att den högra ramsidobalken blev betydligt mycket mer påverkad av lasten än den vänstra ramsidobalken. Samma sak noterades vid analysen med lätthålsmönster 1 dock uppstod det en annorlunda spridning av spänningarna på områdena i och mellan lätthålen. Det visade sig även att spänningarna i lätthålen på ramsidobalken bakom piedestalen var betydligt högre än spänningarna i lätthålen framför piedestalen samtidigt uppmättes spänningarna över sträckgränsen för 𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 i båda områdena.

Figur 8-2. Spänningar över ramsidobalken för vändskivafallet utan och med lätthålsmönster 1.

520%&' 860%&'

HålengerspänningaröversträckgränsenbådeframförochbakomtvärbalkenReferensberäkning

38 (77)

Eftersom spänningarna i hålen var över sträckgränsen så genomfördes flera beräkningar med olika lätthålsmönster där dels avstånden mellan hålen varierades och även antalet rader med lätthål, i appendix 6 finns alla resultat för vändskivafallet. Det lätthålsmönster som visade bäst resultat var den med en rad av lätthål och 100𝑚𝑚 avstånd mellan hålen. Spänningarna låg under sträckgränsen på områdena framför piedestalen, 𝑧𝑜𝑛5 men i området bakom piedestalen, 𝑧𝑜𝑛7 så noterades spänningar över sträckgränsen, se figur 8-3.

Figur 8-3. Spänningar över ramsidobalken för vändskivafallet lätthålsmönster 3.


Tabell 8-2. Spänningsökning, vändskivafallet.


𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 500𝑀𝑃𝑎 270𝑀𝑃𝑎 560𝑀𝑃𝑎 107%

Efter de iterationer som genomförts så uppdaterades FEA-modellen. Denna gång utnyttjades hela ramsidobalkens längd på området bakom piedestalerna, 𝑧𝑜𝑛7 med önskan att uppnå en mer verklighetstrogen modell. Ramsidobalkens längd ökades

Bättre resultat med 100 mm avstånd mellan hålen men fortfarande över sträckgränsen bakom tvärbalken

Max $%ä''(') =360/01

Max $%ä''(') =560/01

39 (77)

med 500𝑚𝑚, det maximalt möjliga. Anledningen till att modellen som använts tidigare varit så kort var att effektivisera beräkningstiden i programmet.

Med den uppdaterade modellen så visade sig liknade resultat när lätthålsmönster 1 och lätthålsmönster 2 studerades. Däremot så noterades en aning lägre spänningar kring lätthålen i området bakom piedestalerna, 𝑧𝑜𝑛7när lätthålsmönster 3 användes. Den största uppmätta spänningen i ett lätthål var 480𝑀𝑃𝑎, precis under sträckgränsen. Se figur 7-13.

Figur 8-4. Spänningar över ramsidobalken med förlängd bakre ände och lätthålsmönster 3 under vändskivafallet.


Tabell 8-3. Spänningsökning, vändskivafallet och förlängd bakre ände.


𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 500𝑀𝑃𝑎 200𝑀𝑃𝑎 480𝑀𝑃𝑎 140%

8.3 Delresultat 3, ramvridning.

De största spänningarna för lätthålen noterades i 𝑍𝑜𝑛4, mellan tvärbalkens två kontaktytor mot ramsidobalken. Spänningen uppmättes till 190𝑀𝑃𝑎. Utöver det så uppstod det höga spänningar på den tredje tvärbalken med storleken 330𝑀𝑃𝑎. Jämfört med referensanalysen så uppstod det i överlag ingen märkbara spännings-

460%&'

480%&'

376%&' 372%&'

En rad och 100 mm avstånd mellan hålen ger bättre resultat

40 (77)

eller deformationsförändringar längs med ramsidobalken. Däremot så påvisades lokala spänningsökningar precis i lätthålet jämfört med hur det såg ut på precis samma område utan lätthål. Referensanalysen finns i appendix 8.

Figur 8-5. Spänningar över ramsidobalken under lastfallet ramvridning.

Figur 8-6. Deformationsfigur i z-led för lastfallet ramvridning sedd från front och sidan.

Tabell 8-4. Värden för beräkning av kontroll mot acceptanskriteriet.

Förskjutning i z-led

Avstånd mellan sidobalkändarna Vridning Ramsidobalkens

längd Ramvridning Acceptanskriteriet

ℎ 𝑥 𝑎 L β βq 27,3mm 450mm 3,48° 3100mm 1,12 ° m 1,1 ° m


Störstpåkänningaruppståridenbakretvärbalken

190%&'

41 (77)

Tabell 8-5. Spänningsökning under lastfallet ramvridning.


𝐷𝑜𝑚𝑒𝑥500 500𝑀𝑃𝑎 75 190𝑀𝑃𝑎 153%

8.4 Delresultat 4, kablageöppning. Konsollastfallet medförde stora spänningar vid samtliga källradier för kablageöppning version1. Spänningen var relativt nära sträckgränsen vid den övre vänstra källradien och uppmättes till 440MPa.

Version2 påvisade ett betydligt bättre resultat jämfört med version1. Den största uppmätta spänningen var 330MPa vid stående orientering och 325MPa för liggande orientering.

Under fallet ramvridning uppmättes spänningar som visade sig vara betydligt lägre jämfört med dem uppmätta spänningarna under konsollastfallet. Noterbart gällande båda versionerna, båda orienteringarna och båda lastfallen var att den största uppmätta spänningen alltid var kring det övre vänstra området av kablageöppningen. För mer information se appendix 9.

Figur 8-7 Spänningar kring kablageöppning version 1 och version 2.

Lägrespänningarutandemtvåstorahålen

440$%& 330$%&325$%&

42 (77)

Tabell 8-6 Resultat från konsollastfall och ramvridning med kablageöppning

Konsollastfall Kablageöppning Stående orientering Liggande orientering

Version 1 440MPa 430𝑀𝑃𝑎 Version 2 330MPa 325MPa

Ramvridning

Version 2 120MPa 93𝑀𝑃𝑎

8.5 Delresultat 5, utmattning För utmattningsberäkningar har huvudspänningar använts. Resultaten finns sammanfattade i Haigh-diagrammen i figur 8-9.

Arbetspunkten låg innanför det accepterade området för samtliga lastfall. Kritiskt område var 𝑧𝑜𝑛5 och 𝑧𝑜𝑛7i vändskivafallet. Arbetspunkten låg väldigt nära gränsen för det accepterade området.

Appendix 4 innehåller de värden som använts för beräkning av amplitud- och mittspänning.

43 (77)

Figur 8-8. Haigh-diagram för samtliga lastfall.

Konsollastfall Vändskivafallet

Ramvridning Konsollastfallmedkablageöppning

44 (77)

8.6 Slutresultat, placering av lätthål Utifrån alla beräkningar och delresultat så kan ett slutresultat sammanställas i form av placering av lätthål längs med ramsidobalken. Tabellen nedan innefattar typ av lätthål per zon. (Lätthålsmönster enligt tabell 7-3 och zoner enligt figur 7-3).

Tabell 8-7. Placering av lätthål.

Zon 1 Zon 2 Zon 3 Zon 4 Zon 5 Zon 6 Zon 7 Lätthålsmönster 1 - 1 1 3 - 3 Kablageöppning - Version 2 - - - - -

Det totala antalet lätthål på ett helt chassi samt viktbesparingen summeras i tabell 8-8.

• Kablageöppning version 2 medger viktbesparing på 546𝑔 per hål. • Lätthål med diameter 20,5𝑚𝑚 medger viktbesparing på 20𝑔 per hål.

Tabell 8-8. Viktbesparing och antal lätthål på ett helt chassi

Zon 1 Zon 2 Zon 3 Zon 4 Zon 5 Zon 7 Total Total

viktbesparing Lätthål 258 - 48 18 12 24 360

𝟖, 𝟔𝒌𝒈 Kablageöppning Version 2 - 2 - - - - 2

I närheten av gränssnittskontakt mellan ramsidobalk och tvärbalk samt komponenter av samma viktstorlek eller större än bränsletank så ska den närliggande kolumnen med lätthål uteslutas. Figuren nedan illustrera detta samt hur lätthålen är placerade i förhållande till modulhålen.

Figur 8-9. Placering av lätthål.

45 (77)

Enligt Ferruform så kommer denna tillökning av stansade hål kräva investering i en ny stansmaskin. Detta på grund av flaskhals som kommer att uppstå i produktionsleden till följd av det stora antalet stansade lätthål.

46 (77)

9 Slutsats och rekommendationer

Utifrån det sammanställda resultatet från alla lastfall och acceptanskriterierna mot utmattning för stansade och plasmaskurna lätthål, så är det möjligt att optimera vikten på ramsidobalkarna för det chassi som studerats under detta projekt genom att tillämpa lätthål på de bestämda områdena längs med ramsidobalkarna (För mer information se resultatkapitlet). Däremot med hänsyn till produktionskapaciteten i dagsläget hos Ferruform AB så kommer implementering av lätthål till en börja medföra en extra kostnad i form av investering i en ny stansmaskin för att bemöta den stora volymen av lätthål. Lätthålsvariant B som är placerat i zon 6 (Se figur 7–3 zonuppdelning av ramsidobalk) togs bort även fast den klarade av samtliga acceptanskriteriet. Detta på grund av att luftfjäderbalken (den fjärde tvärbalken) riskerar att korrodera som i sig kommer leda till minskad livslängden på den. Risken för korrosion beror på att luftfjäderbalken är gjuten och ihålig och har en yta på insida som är obearbetad. Smuts och vatten kan tränga in genom öppningen och utsätta luftfjädertvärbalken för korrosion samt medföra ökad vikt.

Figur 9-1.

Arbetet har till stort sätt byggt på en iterativ process där flera iterationer krävdes för att komma fram till ett slutresultat. Den iterativa metodiken som har tillämpats kräver FEM-beräkningsprogram och hårdvara av hög kvalité för att hinna genomföra tillräckligt många beräkningar under en begränsad tidsperiod. Idealisering av lastfallen, randvillkoren och modellerna har en stor påverka och betydelse för resultatet.

Luftfjäderbalk

LätthålsvariantB

47 (77)

För fortsatta studier rekommenderas följande

• Genomföra beräkningar på ett helt lastbilschassi med alla komponenter. • Undersöka om det är möjligt att standardisera lätthålen för användning på

samtliga lastbilskonfigurationer. • Undersöka om det är möjligt att på ett liknande sätt framställa samtliga

modulhål med en storlek som är optimal för viktoptimering och som samtidigt medger en säker sammanfogning mellan ramsidobalk och samtliga rammonterade komponenter.

• Genomföra en DFMA-studie och noggranna kostnadskalkyler samt undersöka miljöaspekter.

• Undersöka om det finns möjlighet att optimera vikten på ramsidobalken genom att tillämpa alternativa metoder så som genom materialbyte eller ändra på ramsidobalkens profil.

48 (77)

Referenser

DAF a paccar company. (2017). Home PACCAR. Hämtat från https://www.daf.com/en/news-and-media/articles/global/2015/q2/12-06-2015-500-kg-weight-saving-on-12-tonne-distribution-truck# den 10 04 2017

KTH. (1998). Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära. Stockholm: Instutitionen för

hållfasthetslära KTH. Nilsson, B. (den 16 10 2016). Finit Elementmetoden, En kort introduktion till teorin. Hämtat från

http://dixon.hh.se/bertil/Kurser/Common/FEMgk/Notes/kompendiumA4.pdf den 18 04 2017

Pettersson, C. (2012). Packningsstrategier för modularisering på chassi. Linköpings universitet,

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Maskinkonstruktion. Pettersson, C. (2012). Packningsstrategier för modularisering på chassi. Linköpings universitet,

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Maskinkonstruktion. PTC. (2017). PTC Help Center. Hämtat från

https://support.ptc.com/help/creo_hc/creo30_pma_hc/usascii/index.html#page/simulate%2Fsimulate%2Fmodstr%2Fconnects%2Freference%2Fweight_link_f_top.html den 29 04 2017

PTC. (2017). PTC Help Center. Hämtat från

https://support.ptc.com/help/creo_hc/creo30_pma_hc/usascii/index.html#page/simulate%2Fsimulate%2Fmodstr%2Fconnects%2Freference%2Fbonded_interfaces.html%23 den 01 05 2017

Ragnarsson, A. (2013). Framtagning av produktionslayout och produktutveckling för tillverkning av

hängskenor till hyllsystem. kandidatexamen, Högskolan Dalarna, Maskinteknik - Industriell Utveckling & Ledarskap.

Roger, T. (2012). Finit Element Modeling With Simulate. Creo Simulate Tutorial Releases 1.0 & 2.0.

Edmonton, Alberta, Canada: ProCAD Books Ltd, sida 5. Roger, T. (2012). Finit Element Modeling With Simulate. Creo Simulate Tutorial Releases 1.0 & 2.0.

Edmonton, Alberta, Canada: ProCAD Books Ltd, sidor 4-8. Roger, T. (2012). Finit Element Modeling With Simulate. Creo Simulate Tutorial Relrases 1.0 & 2.0.

Edmonton, Alberta, Canada: ProCAD Books Ltd, sida 7. Scania AB. (den 20 04 2017). Års- och Hållbarhetsredovisning 2015. Hämtat från

https://www.scania.com/group/en/wp-content/uploads/sites/2/2016/03/Ars-_och_Hallbarhetsredovisning_2015.pdf

Scania Ferruform AB. (2016). VÅRA PRODUKTER: . Hämtat från Scania Ferruform-webbplats:

https://www.scania.com/productionunitlulea/sv/home/om-scania-ferruform/vara-produkter.html den 20 04 2017

Svensk Laserskärning AB. (u.d.). Fräsmaskinen och dess tillbehör. Hämtat från

http://www.svensklaserskarning.se/plasmaskarning.htm den 30 04 2017 The Garage Journal. (2014). garage journal. Hämtat från

http://www.garagejournal.com/forum/showthread.php?t=249841 den 10 05 2017 TRUCKSXL. (2013). TrucksXL.com. Hämtat från http://www.vanvlietxl.com/media/150112/5323-

scania-r420-4x2-2-.jpg den 06 05 2017

49 (77)

Appendix

Appendix 1- Chassi.

Appendix 2- Kablageöppning.

Appendix 3- Beräkning av total viktbesparing.

Appendix 4- Utmattningsberäkning.

Appendix 5- Konsollastfall.

Appendix 6- Vändskivafallet.

Appendix 7- Vändskivafallet, (ramsidobalk med maximalt förlängd bakända).

Appendix 8- Ramvridning.

Appendix 9- Kablageöppning.

Appendix 1- Chassi

1- Första tvärbalk. 2- Andra tvärbalk. 3- Tredje tvärbalk. 4- Fjärde tvärbalk. 5- Bakre tvärbalk. 6- Piedestal. 7- Fjäderfäste. 8- Ramsidobalk.

81

23

4

76

5

Appendix 2- Kablageöppning

Kablageöppning

80

120

&20'4

Version 2

124

&41'2

Version 1

Appendix 3- Beräkning av total viktbesparing

𝑚p = 𝑉p ∙ 𝜌 ∙ 𝑎 (1) 𝑉p = 𝜋 ∙ 𝑟p5 ∙ 𝑡 2 1 och(2)ger(3) 𝑚p = 𝜋 ∙ 𝑟p5 ∙ 𝑡 ∙ 𝜌 3 𝑚5 = 𝑉5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑏 4

𝑉5 =(�∙��)

5∙ 𝑡 + �∙��

5∙ 𝑡 + 42 ∙ 2𝑟5 ∙ 𝑡 = 𝜋 ∙ 𝑟55 + 42 ∙ 82 ∙ 𝑡 5

4 och 5 ger(6) 𝑚5 = 𝜋 ∙ 𝑟55 + 42 ∙ 2𝑟5 ∙ 𝑡 ∙ 𝜌 ∙ 𝑏 6 3 och 6 ger(∗) 𝑚m�m = 𝑚p +𝑚5 (∗)

𝒂 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙ä𝑡𝑡ℎå𝑙 𝒃 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙𝑘𝑎𝑏𝑙𝑎𝑔𝑒ö𝑝𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔𝑎𝑟, 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2 𝑽𝟏 𝑉𝑜𝑙𝑦𝑚𝑝𝑒𝑟𝑙ä𝑡𝑡ℎå𝑙 𝑽𝟐 𝑉𝑜𝑙𝑦𝑚𝑝𝑒𝑟𝑘𝑎𝑏𝑙𝑎𝑔𝑒ö𝑝𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔, 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2 𝒓𝟏 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑒, 𝑙ä𝑡𝑡ℎå𝑙 𝒓𝟐 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑒, 𝑘𝑎𝑏𝑙𝑎𝑔𝑒ö𝑝𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2 𝒕 𝑅𝑎𝑚𝑠𝑖𝑑𝑜𝑏𝑎𝑙𝑘𝑒𝑛𝑠𝑡𝑗𝑜𝑐𝑘𝑙𝑒𝑘 𝝆 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡𝑓ö𝑟𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑠𝑡å𝑙 𝒎𝟏 𝑉𝑖𝑘𝑡𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔𝑚𝑒𝑑𝑓ö𝑟𝑑𝑎𝑣𝑙ä𝑡𝑡ℎå𝑙 𝒎𝟐 𝑉𝑖𝑘𝑡𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔𝑚𝑒𝑑𝑓ö𝑟𝑑𝑎𝑣𝑘𝑎𝑏𝑙𝑎𝑔𝑒ö𝑝𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛2 𝒎𝒕𝒐𝒕 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑣𝑖𝑘𝑡𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔

Kablageöppning

80

120

&20'4

124

&41'2

Version1

42

KablageöppningVersion2

Appendix 4- Utmattningsberäkning

Värden som använts för beräkning av amplitud- och mittspänning är huvudspänningar. Färgkodning enligt figur 8-8.

Lastfall Lätthålsmönster Kablageöppning Max. Principal

Min. Principal Mittspänning Amplitudspänning

Konsollastfall 1 - 287 MPa 2 MPa 144,5 MPa 142,5 MPa

Ramvridning 1 - 180 MPa 7 MPa 93,5 MPa 86,5 MPa

Vändskivafallet 3 - 530 MPa 6 MPa 268 MPa 262 MPa



Konsollastfall 1 Version 2 261 1 131 MPa 130 MPa

Appendix 5- Konsollastfall

(Randvillkor, Spänningar, Deformationer)

Referensberäkning Kraften riktad nedåt

Kraften riktad nedåt Lätthålsmönster 1

Referensberäkning Kraften riktad uppåt

Kraften riktad uppåt Lätthålsmönster 1

Referensberäkning Kraften riktad bakåt

Kraften riktad bakåt Lätthålsmönster 1

Appendix 6- Vändskivafallet

(Randvillkor, Spänningar, Deformationer)

Referensberäkning

Lätthålsmönster 1




Appendix 7- Vändskivafallet, Ramsidobalk med maximalt förlängd bakända (Randvillkor, Spänningar, Deformationer) Lätthålsmönster 1


Appendix 8- Ramvridning

(Randvillkor, Spänningar, Deformationer) Lätthålsmönster 1

Appendix 9- Kablageöppning (Randvillkor, Spänningar, Deformationer) Konsollastfall Kablageöppning version 1 Stående orientering Lätthålsmönster 1

Konsollastfall Kablageöppning version 1 liggande orientering Lätthålsmönster 1

Konsollastfall Kablageöppning version 2 Stående orientering Lätthålsmönster 1

Konsollastfall Kablageöppning version 2 Liggande orientering Lätthålsmönster 1

Ramvridning Kablageöppning version 2 Stående orientering Lätthålsmönster 1

Ramvridning Kablageöppning version 2 Liggande orientering Lätthålsmönster 1

Documents

Viktoptimering av lastbilschassi1130300/...Scania är ett globalt företag som tillverkar tunga lastbilar, bussar samt marinmotorer och är verksam i 100 länder. En viktig och växande