Optimization of hooklift axle joints with high strength steel

Abstract

This master thesis studied hooklift main axles from structural optimization point of view. Main axles act in rotational joints and enable hooklift to move through its work cycle. The target of this thesis was to find optimal design for hooklift main axle to reduce its weight and size. Design optimization included diameter, shape, material and surface treatment of the axle and had to be done without increasing manufacturing costs.

Methods for this thesis were conducted from Eurocode 3, Hertz contact theory, non-Hertzian contact of cylindrical bodies and Finite Element (FE) method. Hertz contact theory was applied to joint brackets and the results were compared to allowed Hertzian pressure of bracket material. FE method was used to study contact stresses between bearing and axle. Geometrically and materially nonlinear analyses were done with sub modelling technique.

FE analyses revealed concentrated nonlinear contact pressure distribution between axle and bearing. Results followed non-Hertzian contact theory, and pressures were evened by making barrelled shaped axle end. Updated axle shape allowed axle diameter to be reduced, and axle tensile stress capacity became limiting factor. New axle diameter, material and locking plate attachment proposition were found as result.

Tässä diplomityössä tutkittiin koukkulaitteen pääakseleita rakenteellisen optimoinnin näkökulmasta. Pääakselit toimivat nivelellisinä liitoksissa ja mahdollistavat siten koukkulaitteen työkierron. Tämän diplomityön tarkoitus on optimoida koukkulaitteen pääakseli painon ja koon suhteen. Optimoinnissa muokattavia seikkoja olivat akselin halkaisijan, materiaalin ja pintakäsittelyn. Optimoitu ratkaisu piti saavuttaa ilman, että akselin valmistuskustannukset kasvavat.

Työn menetelmät johdettiin Eurokoodi 3:sta, Hertzin kontaktiteoriasta, sylinterin muotoisten kappaleiden välisestä kontaktista ja äärellisten elementtien menetelmästä. Hertzin kontaktiteoriaa sovellettiin liitosten korvakkeisiin, joiden tuloksia verrattiin korvakemateriaalin sallittuun Hertzin paineeseen. Akselin ja laakerin välisiä kontaktipaineita tutkittiin äärellisten elementtien menetelmällä. Käytetyt analyysit ottivat huomioon geometrisen ja materiaalisen epälineaarisuuden ja ne toteutettiin alimallitekniikalla.

Äärellisten elementtien analyysien tuloksista kävi ilmi akselin ja laakerin välisen kontaktipaineen epälineaarisesti jakautunut keskittymä. Tulokset noudattivat epä-Hertzisen kontaktin teoriaa, joka ratkaistiin muuttamalla akselin päädyn muoto bombeeratuksi. Uusi akselimuoto mahdollisti akselin halkaisijan pienentämisen, jolloin akselin vetojännityskapasiteetista tuli mitoittava kriteeri. Työn tuloksena saavutettiin ehdotelma uudesta akselihalkaisijasta, materiaalista sekä telkeämislevyn kiinnityksestä.