Almost all logging in Sweden is carried out by the Cut-To-Length method. The method is carried out by two machines, a harvester and a forwarder. The forwarder transports the cut logs from the forest to a landing area for further transportation. Due to the uneven ground, the operators are subjected to high amplitude vibrations and the vehicle damages the ground soil when the pressure is unevenly distributed between the vehicles wheels. In an endeavor to decrease soil damage and increase the comfort for the operator, Skogforsk in collaboration with eXtractor is developing a pendulum arm suspended forwarder, named XT28. The benefit with such a forwarder is that each pendulum arm and wheel can be controlled individually. In this project a scale model (1:5) of the XT28 was developed and realized in order to enable implementation and development of a control system for its active pendulum arm suspension. A scaled model is much easier to handle and manage when tests is going to be performed. Additionally it is much more cost efficient than working with a full-scaled model. The focus point for this project will be the pendulum arm suspension and as a final test the function of this type of suspension will be tested and examined. Apart from a few design changes the downscaled model is a good representation of the XT28 and can be used in the development of a control system. After testing, it can be said that the downscaled prototype represents the full-scaled forwarder well when it comes to test the function of the pendulum arms. / Skogsavverkningen i Sverige utförs nästan uteslutande genom cut-to-length-metoden. Metoden utförs av två maskiner, en skördare och en skotare. Skotaren transporterar fällda träd från skogen till en lastplats för vidare transport. På grund av det ojämna underlaget utsätts operatören för vibrationer med hög amplitud och fordonet skadar underlaget när marktrycket är ojämnt fördelat mellan hjulen. I ett försök att minska markskador och öka komforten för operatören utvecklar Skogforsk i sammarbete med eXtractor en skotare med pendelarmsdämpning, där hjulen kan styras individuellt. Skotaren heter XT28. I detta projekt utvecklades och framställdes en skalmodell (1:5) av XT28 med syftet att möjliggöra förverkligandet och utvecklandet av ett kontrollsystem till den aktiva dämpningen i pendelarmarna. En skalmodell är mycket enklare att hantera när tester skall utföras. Dessutom är det mer kostnadseffektivt jämfört med att arbeta med fullskalemodellen. Detta projekts fokus kommer att ligga på pendelarmarna och som ett slutgiltigt test kommer funktionen av denna dämpning att testas och undersökas. Med undantag av några konstruktionsändringar representerar den nedskalade modellen skotaren XT28 väl och kan användas i utvecklandet av ett kontrollsystem. Efter utförda tester kan det konstateras att den nedskalade prototypen representerar den fullskaliga skotaren väl när det kommer till att testa funktionen av pendelarmsdämpningen.

The forwarder acts as an important role in mechanized Cut-to-Length timber harvesting system. But the majority of forwarder products on the market are not suspended or simply suspended by bogies which limit the riding quality of forwarder and result in soil damage due to large tireground interaction force. The Forestry Research Institute of Sweden is developing an active controlled pendulum arm suspension system actuated by hydraulic cylinders on the forwarder prototype named XT28. The aim of this active suspension system is to compensate the inherent shortcomings of the current suspension solutions. The thesis project focuses on implementing a heterogeneous simulation methodology which integrates the Multi-Body System model of XT28 built in MSC ADAMS/View with active suspension control model developed in MATLAB/Simulink. Thus, the co-simulation process is visualized in ADAMS/View. The results show that the active controlled pendulum arm suspension could improve the riding quality in a large extend and reduce the force between tire and ground at the same time. The cosimulation between ADAMS and Simulink is proved as a feasible and efficient approach to study the active control system for pendulum arm suspension on XT28 forwarder. / Skotaren har tillsammans med skördaren en central roll i den fullt mekaniserade kortvirkesmetoden för skogsavverkning. Majoriteten av dagens skotare på marknaden har sex eller åtta hjul, som är monterade parvis på boggilådor. Det innebär att de saknar chassidämpning, vilket begränsar operatörens komfort och orsakar även stora markskador på mjuk mark. Skogforsk koordinerar realiseringen av en fullskaleprototyp, som går under arbetsnamnet XT28, med sex hjul monterade på varsin pendelarm. Pendelarmarna har varsin hydraulcylinder som möjliggör aktiv helmaskinsdämpning. Detta examensarbete är inriktat på att skapa, demonstrera och verifiera en heterogen simuleringsmetodik, som integrerar och möjliggör samsimulering av en dynamisk mekanikmodell utvecklad i MSC Adams/View med en reglermodell för aktiv styrning av pendelarmarna. Reglermodellen har utvecklats i MATLAB / Simulink. Simuleringsresultaten, som visualiseras i Adams-miljön, visar att den aktiva pendelarmregleringen skulle kunna förbättra åkkomforten signifikant, och också kraftigt markkontaktkrafterna. Det visas att samsimulering mellan ADAMS och Simulink är en effektiv metod för att verifiera prestandan hos aktiva reglersystem för pendelarmsfjädring på prototypskotaren XT28.

Cut-To-Length (CTL) logging is the dominating logging method in many parts of the world. CTL logging requires a forwarder for the logs from the felling area to a landing area. Due to the harsh off-road working conditions, a well performed suspension system is necessary for the forwarder. A down-scaled forwarder prototype of the full-scale XT28 prototype was developed last year but without any control system. In this project, the forwarder was conducted to the Skogforsk standard rough ground test and development and implementation of a control system was chosen as a refinement task. Structure refinement was also achieved for the improvement of the dynamic behavior. Within the project, the down-scaled version of standard test track was realized as well. The control system with fuzzy logic control strategy was implemented to control the pitch and roll angle when passing the bumps on the track. The scaling effect was investigated with the Buckingham Pi Theorem and utilized to understand the relation between the dynamic behavior of the down-scaled prototype and the full-scale forwarder. During the test, the pitch and roll angle history were collected with a maximum angle of 8 degrees when the forwarder was moving with a speed of 0.06m/s. The test with the control system was recorded but due to the vibration it was hard to collect data in this circumstance. From the test, it is clear that the control system was able to work but its ability was limited owing to the slow reaction speed of the linear actuator. With the analysis of the real hydraulic actuator, it was implied that a better performance could be achieved if this control system was implemented on the full-scale forwarder. / Kortvirkesmetoden är den dominerade avverkningsmetoden i Sverige och resten av Europa. Metoden baseras på två maskiner, en skördare och en skotare, där skotaren transporterar det kapade virket till en uppsamlingsplats för vidare transport med lastbil. För att minska helkroppsvibrationer vid arbete i hård och ojämn terrängen, är det önskvärt att skotaren kan förses med ett effektivt och hållbart fjädringssystem. En nedskalad skotare, baserad på fullskaleprototypen XT28, utvecklades vid ett examensarbete förra året. Skalmodellen saknade styrsystem. I detta projekt realiserades också en nedskalad prototyp av den standardiserade provbana för hård och ojämn terräng som tagits fram av Skogforsk. Ett aktivt styrsystem, med syftet att förbättra skalmodellens dynamisk prestanda i ojämn terräng, utvecklades också för skalmodellens pendelarmar. Den valda reglerstrategin för rollvinkeln, baserades på fuzzi-logik. Skalningseffekterna undersöktes med Buckingham Pi, och dessa resultat användes för att förstå förhållandet mellan dynamiskt beteende hos skalprototypen och fullskaleprototypen. Under testet, registrerades pitch- och rollvinklarna, med en maximal vinkel på 8 grader. Vid provet framfördes skotaren med hastigheten 0,06 m/s. På grund av vibrationerna var det svårt att samla in analyserbara data för styrsystemet. Från testet, är det klart att styrsystemet kunde arbeta som tänkt, men dess förmåga var begränsad på grund av skalmodellens långsamma elektriska ställdonen. Analys av de verkliga hydrauliska ställdonen i fullskaleprototypen indikerar att styrsystemet skulle fungera betydligt bättre för den verkliga skotaren.

This report is the result of Master of Science thesis project developed for KTH Royal Institute of Technology in collaboration with the Forestry Research Institute of Sweden (Skogforsk) for the Forestry Master Thesis School 2016. In the past few years, Adams MBD models have been created to verify the better comfortability of six-wheeled pendulum-arm-suspension compared to bogie-suspended forwarder. Based on the current achievements, this thesis would focus on discovering the energy consumption states of both types of forwarder. A study on the energy usage of a pendulum arm suspension forwarder was preformed based on existing design parameters and test data gathered by Skogforsk, providing insight about the performance of XT28 when operating on a test track. Hydraulic and mechanical models of the forwarder were built using Adams and Simulink/Matlab. These models were used for the simulation of the working process and calculation of the energy consumption. The result of this research project shows that active pendulum arm suspension forwarder saves approximately 28% of energy consumption compared to passive suspension. It is also shown that a speed increase from 0.84m/s to 1m/s increases the energy consumptio with approximately 10%. / Rapporten är resultatet av ett masterprojekt som utförts vid KTH Kungliga Tekniska Högskolan i samarbete med Skogforsk för Skogsforskningskolan 2017. Under de senaste åren har ett antal Adams-baserade MBD-modeller skapats, med syftet att undersöka och verifiera hur mycket vibrationsmiljön kan förbättras med en sexhjulig pendelarmsdämpad skotare jämfört med en traditionell bogie-maskin. Denna avhandling fokuserade på att jämföra energiförbrukningen hos båda typer av maskiner. En studie om energiförbrukningen hos en pendularmsskotare har utförts, baserat på befintliga designparametrar och provningsdata insamlade av Skogforsk, vilket gav insikt om energiprestandan hos den aktivt dämpade pendelarmsskotaren XT28 vid drift på provbana. Hydrauliska och mekaniska modeller av maskinen skapades med Adams och Matlab/Simulink. Dessa modeller användes för simulering av en idealiserad arbetsprocess och beräkning av energiförbrukningen. Resultatet av detta projekt visar att aktivt dämpad pendularmsskotare har cirka 28% lägre energiförbrukning jämfört en passivt dämpad skotare. En analys visar också att en ökad hastighet från 0,84 m/s till 1 m/s ökar energiförbrukningen med cirka 10% .

The development of forestry machines is currently heading towards new solutions that reduce their impact on the environment and in particular on the soft forest soil in which the machines operate. The terrain conditions that forestry machines encounter in their regular duties can be very rough, and if the vehicle-ground interaction is not properly controlled cumulative damage can progressively aggravate these conditions and potentially render a route or a zone impracticable, apart from causing a detrimental effect in the forest environment. In addition, new machine solutions must be considerably less damaging, both physically and mentally, to operators. There are certain imposed limits to the whole body vibrations to which industrial workers are exposed daily, which are very hard to fulfil in the context of wood harvesting operations with the current technological state of the machines. Chassis-suspended solutions in the market of forestry vehicles are practically inexistent. Multiple wheeled tracks and/or bogies are current solutions that improve dynamic performance and ground contact area of forestry vehicles, but they do not include suspension elements. Cab and seat suspensions are also used to reduce whole body vibrations, but they are only effective up to a certain degree, due to their relatively short stroke length and directional limitations. The implementation of chassis suspensions in forestry machines is therefore a very interesting open area of research in forestry technology. In this context the XT28, a forwarder prototype with active pendulum arm suspension, is currently being developed by Extractor AB in collaboration with Skogforsk; the Forestry Research Institute of Sweden. The present project focuses in analysis and comparison of the performance that active, semi-active and passive suspension systems with pendulum arm architecture would present, by studying their application in the XT28 machine. These systems have the potential to significantly improve forestry vehicle performance in terms of terrain friendliness and whole body vibrations over an unsuspended system. The task is carried out with the help of Multi-Body Dynamics simulation software along with other simulation and computational tools. Additionally, a general method to optimize and analyse forestry vehicle suspension performance is proposed and applied to the case of the XT28, which provides a fair and standardized way to compare the performance of the different suspensions. Keywords: Forestry machine, suspension, multi-objective optimization, forwarder, pendulum arm, active, semi-active, passive, XT28, Multibody Dynamics, soil-friendly, off-road. / Utvecklingen av skogsmaskiner är för närvarande på väg mot nya lösningar som minskar deras påverkan på miljön och i synnerhet på mjuk skogsmark. Skogsmaskinerna verkar ofta i mycket oländig och ojämn terräng, och om interaktionen mellan fordon och mark är alltför okontrollerad, så kan interaktionen ge upphov till kumulativa markskador som gradvis förvärras efter flera passager och eventuellt göra en rutt eller en zon oframkomlig, bortsett från att de orsaka skador på skogsmiljön. Dessutom måste nya maskinlösningar vara skonsammare, både fysiskt och mentalt, för förarna. Det finns nya gränser för maximala helkroppsvibrationer och maximala dagliga vibrationsdoser, som är mycket svåra att uppfylla vid skogsavverkning med dagens skogsmaskinsteknik. Chassidämpade lösningar är praktiskt taget obefintliga på dagens skogsmaskiner. Band och/eller boggier är aktuella lösningar som i viss mån förbättrar maskinernas dynamisk interaktion med marken, men de innehåller inga dämpelement, utan det är enbart däckens flexibilitet som ger maskinen en dämpfunktion. Hytt-och stolsdämpning används också för att minska helkroppsvibrationer, men de är endast effektiva till en viss grad, på grund av deras relativt korta slaglängd och riktningsbegränsningar. Införande av chassidämpning för skogsmaskiner är därför ett mycket intressant skogstekniskt forskningsområde. För närvarande utvecklas en skotare med aktivt dämpade pendelarmar av Extractor AB i samarbete med Skogforsk. Maskinen går under beteckningen XT28. Detta projekt fokuserar på att analysera och jämföra prestandan hos aktivt, semi-aktivt och passivt dämpade pendelarmlösningar, genom att implementera dessa i XT28-maskinen. Dessa system har potential att avsevärt förbättra skogsmaskinernas framkomlighet i oländig terräng och att minska helkroppsvibrationerna, jämfört med ofjädrade system. Uppgiften genomförs med hjälp av dynamiksimuleringsprogram i kombination med andra simulerings- och beräkningsverktyg. Dessutom föreslås en generell metodik för att optimera och analysera prestandan hos chassidämpningslösningar för skogsmaskiner. Metodiken tillämpas sedan på en XT28, som då, i detta fall, får fungera som en demonstrator för att jämföra prestandan hos olika chassidämplösningar. Nyckelord: Skogsmaskin, fjädring, optimering, skotare, pendelarm, aktiv, semi-aktiv, passiv, XT28, flerkroppsdynamik, markvänlig, off-road.