The construction equipment industry is developing at a fast pace, increasing the expectation on the next-generation machines. Wheel loaders and backhoe loaders are part of this evolution and all subsystems in those machines need to be developed to meet the high demands in energy eciency and productivity. One of the most important parts of the wheel loader is the loading unit. This is traditionally designed using highly experienced engineers and CAD software. To simplify the early stages of this process was an optimization tool developed to generate a design outlay. The optimization will minimize the mass of the linkage since unnecessary weight will lower the eciency. The minimum can be found by moving the joints and adjusting the shape of the device. The optimization will also include constraints to assure the correct performance of the linkage. Since there are a high number of design variables, a gradient-based optimization method was used. A finite element solver was also implemented to calculate the forces and stresses in the linkage. The linkages studied in this report are one from a typical wheel loader and one from a backhoe loader. Since these machines are extremely versatile, and used formany diferent tasks, two sets of constraints are compiled. One of the constraint sets yields a linkage suitable for machines only equipped with bucket, while the other results in an all-round linkage suitable for most tools and applications. The optimized linkages are compared to existing devices. The results show that there are some improvements possible and that the software could be used to help designers. However, the optimization problem is hard to solve due to non-smooth constraints functions and numerical instabilities. This issue could be overcome by diferent means, like using automatic diferentiation, a non-gradient based optimization method, decreasing the number of constraints or decreasing the number of design variables. / Utvecklingen av anlaggningsmaskiner sker i snabb takt och detta ökar förväntningarna på framtidens maskiner. En stor andel av alla anläggningsmaskiner är hjullastare och traktorgrävare och alla delsystem på dessa maskiner måste följa med i utvecklingen. En av de viktigaste delarna pa en hjullastare ar lastaggregatet. Det designas traditionellt med hjälp av CAD mjukvara och mycket erfarna konstruktörer. För att underlätta denna process har en optimeringsrutin utvecklats, som generarar ett designförslag. Optimeringen minskar länkagets massa genom att fytta lagringspositioner och ändra delarnas dimensioner. Detta ökar efektiviteten hos maskinen eftersom den slipper köra runt på onödig vikt. Optimeringen innehåller även villkor för att säkerställa god prestanda hos det optimerade aggregatet. Eftersom det ingår väldigt många designvariabler i optimeringen används en gradientbaserad metod. En finita element approximation används for att beräkna krafter och spänningar i länkaget. De länkage som undersöks i detta projekt är ett typsikt hjullastaraggregat och ett typiskt traktorgrävaraggregat. Eftersom dessa maskiner ar väldigt mångsidiga sammanställdes två olika uppsättningar av villkor. Den ena uppsättningen används för att optimera ett aggregat som endast ska användas med skopa, medan den andra uppsättningen används för att ta fram ett mer mångsidigt aggregat avsätt for att kunna klara av de flesta situationer och verktyg. De optimerade lastaggregaten är jämförda med produktionsaggregat och det visar sig att vissa förbättringar är möjliga. Slutsattsen är att optimeringsrutinen kan bli ett bra hjälpmedel for konstruktörer men att den behöver lite mer veriering. Villkorsfunktionen som optimeringen måste lösa är inte helt slät vilket är ett problem för en gradientbaserade metod och dessutom finns vissa numeriska instabiliteter. Dessa svårigheter kan undkommas pa olika sätt, t.ex. genom att använda automatisk derivering,byta optimeringsalgoritm, minska antalet villkor eller minska antalet variabler.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:umu-108618 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Samuelsson, Ted |
| Publisher | Umeå universitet, Institutionen för fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0021 seconds