Design autojeřábu Vypracoval: Ing. Jiří Kubec Vedoucí práce: Ing. Dana Rubínová Ph.D. Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Odbor průmyslového designu 2006/2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s využitím pramenů, uvedených v seznamu použité literatury.
PODĚKOVÁNÍ
Mé poděkování patří především vedoucí mé diplomové práce ing. Daně Rubínové Ph.D. za její cenné rady v celém průběhu zpracování diplomové práce. Zvláštní poděkování patří panu Robertu Puchnerovi z firmy Demag cranes & components v rakouském Salzburgu za jeho ochotu a vstřícnost při konzultacích mých nápadů. Děkuji též p. Kubíčkovi z firmy ZIPP Brno za možnost prohlédnout si autojeřáb přímo na stavbě. V neposlední řadě bych chtěl též poděkovat Mag. Dr. Bernhardu Rothbucherovi za konzultace během mého pobytu v Salzburgu a Ing. Jaroslavu Kratochvílovi za četné názory, které mě přiměly hledat nová a nová řešení.
Anotace
ANOTACE
Diplomová práce se zaměřuje na design čtyřnápravového autojeřábu o maximální nosnosti 80 tun. Projekt se maximálně snaží zohlednit funkčnost a vyrobitelnost. Konstrukční řešení přináší několik inovací především kombinovanou kabinu jeřábníka a řidiče.
Annotation Diploma thesis is focused on design of four-axle crane truck with maximum lifting capacity of 80 tons. Project tries to maximally incorporate functionality and manufacturability. Design includes several innovations primarily combined crane operator´s and driver´s cabin.
OBSAH 10
Obsah
strana
0
Úvod
11
1.0
Historie a současnost
12
2.0 Technické řešení
14
2.1 Současné konstrukce na trhu 2.2 Základní koncept 2.3 Výběr kategorie autojeřábu 2.4 Výchozí podvozek 2.5 Základní části autojeřábu 2.6 Základní parametry autojeřábu 2.7 Řízení kol 2.8 Rameno kabiny 2.9 Kabina 2.10 Podvozek 2.10.1 Úložný prostor háku 2.10.2 Světlomety 2.10.3 Úložný box 2.10.4 Úložný prostor v přední části 2.11 Stabilizační nohy 2.12 Nástavba 2.13 Výložník 2.14 Protizávaží
14 15 17 17 18 18 19 21 23 25 26 26 27 27 28 28 29 29
3.0 Designérská analýza
31
“Límec” kabiny Rameno kabiny Světlomety kryty stabilizačních noh Barevnost a logo
33 33 33 34 34
4.0 Ergonomie
35
4.1 Kabina 4.2 Stupačky 4.3 Žebřík
35 35 37
5.0 Závěr
38
6.0 Seznam použité literatury
39
7.0 Přílohy
40
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
0 Úvod Tato průvodní zpráva k diplomové práci je pokračováním předdiplomní analýzy zabývající se historií, současností a technickým řešením jeřábů, především mobilních. Současná řešení na trhu nejsou co se týče designu dle mého názoru příliš dotažena. U těchto strojů je při navrhování kladen důraz na funkční parametry a vzhledová stránka je poněkud zanedbávána. Cílem mé diplomové práce je navrhnout autojeřáb přinášející inovativní prvky jak po stránce funkční, tak i estetické. To vše při zohlednění ekonomických a výrobních hledisek. Důležitým aspektem při navrhování je též zachování výborných provozních charakteristik tak, aby návrh teoreticky obstál na současném trhu. Finální řešení přebírá rozměry výložníku a podvozku z autojeřábu TEREXDEMAG AC 80-2. Tato firma má již má již mnohaleté zkušenosti se stavbou autojeřábů a patří k největším firmám na trhu.
ÚVOD
Původ myšlenky zabývat se návrhem designu autojeřábu vychází z dlouhodobé fascinace těmito stroji. Pro toto téma jsem se rozhodl také proto, že tato oblast je designem poměrně nedotčená a skýtá mnoho prostoru pro inovace, především tvarové.
11
1.0 Historie a současnost Historie jeřábů sahá do dávné minulosti, kdy lidé v Egyptě pro vytahování kbelíku s vodou z řeky začali používat rameno s protizávažím, tzv. Shaduf.
obr.č. 1.1 shaduf [1] Velký rozvoj jeřábů byl zaznamenán ve starověku, kdy staří Řekové a Římané byli schopni pomocí důmyslných mechanismů zvedat kamenné bloky o váze desítek tun do výšek desítek metrů. To byl obrovský skok oproti nakloněné rovině používané k zvedání bloků například ve starověkém Egyptě. Hmotnost kterou by schopen zvednout jediný dělník, zvýšili Řekové až 50x. Podstatným skokem ve vývoji zvedacích zařízení byl vynález složené kladky (kladkostroje). Ve starověku se o rozvoj zvedacích zařízení zasloužili především geniální vynálezci Leonardo da Vinci a Filippo Brunelleschi. Brunelleschi své vynálezy využil zejména ke stavbě monumentálního florentského dómu Santa Maria del Fiore. Zpočátku byly jeřáby poháněny lidskou silou pomocí šlapacích kol nebo zvířaty. Zlom nastal, ostatně jako skoro ve všech technických oborech, po vynálezu parního stroje Jamesem Wattem roku 1765. Od té doby prošly jeřáby dlouhým vývojem, přičemž dnešní jeřáby jsou schopny zvedat břemena o hmotnosti stovek až tisíců tun. Například v současnosti největší mobilní jeřáb na trhu, devítinápravový LIEBHERR 11200, je schopen zvednout až 1200 tun při vyložení 2,5 metru. Nutno však poznamenat, že se zvyšujícím se vyložením nosnost prudce klesá, proto jsou tyto maximální hodnoty spíše teoretické než prakticky využitelné. Vývoj autojeřábů ve 20. století přinesl několik vylepšení jako přídavné zařízení „SUPERLIFT“ představené firmou DEMAG v roce 1982. Jedná se o přidání soustavy ramen, kladek a lan k teleskopickému výložníku což zvyšuje maximální nosnost jeřábu. Další podstatné zlepšení výkonnostních parametrů přineslo uvedení technologie, kdy je uvnitř výložníku umístěn jezdec, který zachytává a postupně vysouvá jednotlivé části výložníku, které mohou být fixovány v několika polohách. To znamená, že všechny vysunuté části jsou prázdné bez hydrauliky, což snižuje hmotnost výložníku, která tak může být využita ve prospěch větší nosnosti. Teleskopický výložník může být prodloužen nástavcem příhradové konstrukce. Tento nástavec je přepravován vedle výložníku a jeho montáž na konec výložníku zvládne bez pomoci jedna osoba. Též může být připevněn automaticky pomocí hydrauliky.
12
obr.č. 1.2 Superlift a příhradový nástavec [2] Klasické nápravy podvozku byly nahrazeny pneumatickými pružícími moduly, které mohou být snadno vyměněny v případě poruchy. Další nezbytnou součástí autojeřábu je protizávaží. Jeho pevná část se přepravuje spolu s autojeřábem, avšak kvůli legislativnímu omezení 12 tun na nápravu ve většině zemí se musí další díly protizávaží přepravovat odděleně na nákladních vozidlech. Další vývoj přinesl naklápěcí kabinu, která umožňuje jeřábníkovi mnohem pohodlnější pozici při zvedání břemen ve velkých výškách. Kabina mívá též i střešní okno pro lepší výhled. Někdy je dokonce čelní i střešní okno z jednoho kusu.
obr.č. 1.3 Náklápěcí kabina [4]
13
2.0 Technické řešení 2.1 Současné konstrukce na trhu Dnešní autojeřáby již nejsou ty hrubé pracovní stroje jako v minulosti a jejich interiér je víceméně podobný osobním automobilům. Uvnitř kabiny řidiče i jeřábníka nalezneme prvky jako CD přehrávač, vyhřívané plně nastavitelné sedadlo, klimatizaci, displeje zobrazující vlastní provoz jeřábu a podobně. Ovšem například šířka kabiny jeřábníka je omezena prostorem mezi výložníkem, který je vždy uprostřed, a okrajem podvozku. Tento prostor však není příliš velký. V současnosti je přesun jeřábu po veřejných komunikacích ve většině zemí omezen na 12 tun na nápravu. Z toho vyplývá, že maximální povolená hmotnost např. čtyřnápravového jeřábu je 48 tun. Důležitým prvkem při konstrukci jeřábu je důraz na co největší snižování hmotnosti konstrukce. Tuto úsporu je pak možné využít na zesílení výložníku nebo těžší protizávaží přepravitelné spolu s vlastním jeřábem. Počet náprav jeřábů se liší dle nosnosti. Nejmenší dvounápravové jeřáby mají dnes nosnost okolo 35 tun. Jejich stabilizační nohy jsou před přední a za zadní nápravou. Čtyřnápravové jeřáby mají do jednoho stejné uspořádání. Se zvětšujícím se počtem náprav se již jejich uspořádání může lišit.
obr.č. 2.1 Terex-demag AC30 City [3]
obr.č. 2.2 Link Belt HTT-8690 [5]
14
obr.č. 2.3 Liebherr LTM 1250-6.1 [4]
obr.č. 2.4 Liebherr LTM 11200-9.1 [4] 2.2 Základní koncept Jelikož jsem se během studia na VUT naučil, že design je především o funkčních inovacích, začal jsem přemýšlet o nějakém zásadním konstrukčním řešení, které by do daného tématu přineslo něco úplně nového. Po určité době jsem se dopracoval k návrhu autojeřábu pouze s jednou kabinou namísto klasického uspořádání s dvěma oddělenými kabinami pro řidiče a jeřábníka. Kabina je uložena na pomocném rameni, a při přepravě autojeřábu po veřejných komunikacích je sklopena do stejné polohy, kde jsou dnes kabiny řidiče konvenčních autojeřábů. Při jeřábnických pracích může jeřábník kabinu zvednout až do 8,4 metru a tím podstatně zlepšit výhled na pracovní plochu. Tento koncept vznikl po shlédnutí autojeřábu na stavbě, kde se mi jevil problematický výhled z kabiny při vykládání betonových bloků z kamionu. Přesné polohování zajišťovali dělníci na přívěsu kamionu pomocí signálů předávaných jeřábníkovi. Z ekonomického hlediska by mohl být koncept kombinované kabiny též výhodný, protože veškeré náklady spojené s výrobou kabiny pro jeřábníka (ta dnes běžně obsahuje klimatizaci, mechanismus naklápění, elektricky ovládaná okna, hydraulicky odpružené sedadlo, stěrače, ohřívač vody, a veškerou elektroniku potřebnou k provozu jeřábu) mohou být použity na konstrukci pomocného ramene kabiny. Jelikož jsem chtěl svůj návrh co nejvíce přiblížit vyrobitelnému stroji, začal jsem postupně sbírat informace. Tou dobou jsem byl na studijním pobytu v rakouském Salzburgu, kde se shodou okolností nachází jedna z poboček firmy Demag. Tato firma je mimo jiné jednou z největších firem na trhu s autojeřáby. Během dvou návštěv v této firmě mi pan Puchner, ochotně odpověděl na všechny mé otázky a konzultoval se mnou moji hlavní myšlenku. Po těchto konzultacích jsem znal
15
většinu konstrukčních a provozních problémů potřebných k další práci. Zde musím poznamenat, že problematika designu autojeřábu je velmi komplikovaná a technická stránka věci značně omezuje kreativitu designéra. Mimo jiné jsem se po těchto konzultacích dozvěděl, že podobný princip kabiny na dvojdílném rameni je již na trhu a sice u jeřábů určených na vrakoviště a vykládání uhlí firmy Fuchs. U mobilního jeřábu je však tento princip použit poprvé. Můj návrh, ačkoli jsem se k němu dopracoval nezávisle, tak není naprosto originální. Zároveň mne použití podobné koncepce v praxi utvrdilo v její realizovatelnosti. Většina autojeřábů má dnes dvoumístnou kabinu řidiče, avšak můj návrh počítá pouze s jednomístnou. To by v praxi neznamenalo přílišný nedostatek, neboť koncepce takového jeřábu dovoluje obsluhu pouze jednou osobou. Navíc nevyužitý prostor může být použit jako ukládací pro různé příslušenství jako vázací řetězy, klíny apod. Mnoho mých ranných řešení počítalo se sklopnou, případně vysouvací plošinou v prostoru nástavby, která by se sklopila nebo vysunula při poloze kabiny v prostoru nástavby. To by zajišťoval malý lineární hydromotor. Plošina je nutná vzhledem k tomu, že kabina v poloze na nástavbě sahá přes okraj jeřábu a výstup by byl značně komplikovaný. Plošinu na samotné nástavbě jsem později zavrhl z důvodu značného omezení designérské kreativity a především větší komplikovanosti a tím i zvýšení výrobních nákladů. Plošinu jsem přesunul přímo pod podlahu kabiny a je vysouvána spolu s otvíráním dveří, takže při otevření dveří se současně vysune i tato plošina. Vzhledem k tomu, že při navrhování designu je nejlepší seznámit se detailně s celým strojem, domluvil jsem si prohlídku autojeřábu u brněnské firmy ZIPP, což mi přineslo detailnější pohled na vlastní autojeřáb. Konkrétně se jednalo a cca 10 let starý autojeřáb Liebherr LTM 1090 o maximální nosnosti 90 tun.
obr.č. 2.5 Základní koncept
16
obr.č. 2.6 Liebherr LTM 1090 2.3 Výběr kategorie autojeřábu Nejprve bylo nutné si stanovit velikost autojeřábu, na který bych mohl aplikovat koncept zvedací kabiny. Autojeřáby se dnes vyrábějí v mnoha velikostech do nosnosti až 1200 tun. Mezi nejvýznamnější firmy produkující autojeřáby patří německý LIEBHERR, německo - americký TEREX-DEMAG, americký LINK-BELT a GROVE a japonské KATO. Pro aplikaci mé myšlenky se mi zdál nejvhodnější čtyřnápravový podvozek, jelikož velké autojeřáby potřebují ke své práci mnoho příslušenství a nenabízejí tolik prostoru pro designérskou kreativitu. Mnou zvolená koncepce jeřábu je označována jako „TAXI“, což znamená, že jeřáb veze většinu příslušenství s sebou a k běžným pracím nejsou potřebná žádná další doprovodná vozidla. 2.4 Výchozí podvozek Konstrukce podvozku a výložníku je otázka dlouholetého vývoje a práce mnoha konstruktérů. Rozhodl jsem se proto rozměry těchto částí převzít z autojeřábu firmy TEREX–DEMAG a sice modelu AC 80-2 o maximální nosnosti 80 tun.
obr.č. 2.7 Terex-demag AC 80-2 [5]
17
2.5 Základní části autojeřábu
obr.č. 2.8 Základní části autojeřábu [5] 2.6 Základní parametry autojeřábu Podvozek: Pohon: 8x8x8 Stabilizační nohy: 4 teleskopicky výsuvné nohy (polohy: plně zasunuto, vysunuto na 50%, plně vysunuto) s lineárními hydromotory na koncích Motor: 6 válcový DaimlerChrysler OM 501LA o výkonu 315 kW při 1800ot/ min, maximální kroutící moment 2000Nm při 1300 ot/min, nádrž 400l Převodovka: automatická Allison Kola a pneumatiky: 8x 14 R25, bezdušové pneumatiky Řízení: mechanické dvouokruhové s hydraulickým posilovačem Brzdový systém: dvouokruhový systém s ABS na všech kolech. motorová, servisní a parkovací brzda Maximální cestovní rychlost: 80km/h, omezena brzdou, maximální rychlost couvání: 11km/h Maximální stoupavost: 50% Světlost: 390mm Nástavba: Hydraulický systém: Poháněný motorem podvozku při nízkých otáčkách Otáčení nástavby: hydraulický motor s planetovou převodovkou Výložník: základna + 5 výsuvných částí, ovaloidní průřez pro maximální tuhost v krutu, vysouvání možné i pod částečným zatížením Maximální rychlost navíjení lana: 110m/min Průměr lana: 18mm délka lana: 210m Maximální rychlost vysouvání výložníku 10,9-50m: 110s Protizávaží: 8t v sekcích po 4t Zatížení náprav: 4 x 12000kg Celková hmotnost: 48000kg
18
2.7 Řízení kol Podvozek je v konfiguraci 8x8x8 (celkem 8 kol z toho 8 řízených a 8 poháněných) a umožňuje použít několik předdefinované programů pro řízení kol Přeprava jeřábu po veřejných komunikacích („On-road steering“) Nápravy 1 a 2 jsou natáčeny mechanicky podle polohy ovládacího joysticku s pomocí hydraulického posilovače. Nápravy 3 a 4 jsou natáčeny „aktivně“ v závislosti na rychlosti až do 30km/h a pri rychlosti nad 30km/h jsou zablokovány v konstantní pozici. Změna úhlu natočení kol v závislosti na rychlosti vede k zlepšení jízdní stability, vetší preciznosti řízení, vysoké ovladatelnosti a minimálnímu opotřebení pneumatik.
obr.č. 2.9 Přeprava jeřábu po veřejných komunikacích [3] Zatáčení všemi koly („all-wheel steering“) Nápravy 3 a 4 jsou natáčeny v závislosti na úhlu natočení kol první nápravy. Při této přednastavené volbě je možné dosáhnout nejmenšího poloměru zatáčení. Tato konfigurace je možná do rychlosti 20km/h.
obr.č. 2.10 Zatáčení všemi koly [3] Zatáčení bez vychýlení zadní části jeřábu („steering without swerving out“) Nápravy 3 a 4 jsou natáčeny podle nápravy 1 a to stejným směrem, takže nemůže dojít k vychýlení zadní části jeřábu. Tímto se předejde možnému poškození jeřábu nebo okolních objektů v případě pohybu v omezeném prostoru. Volba použitelná do rychlosti 20km/h.
19
obr.č. 2.11 Zatáčení bez vychýlení zadní části jeřábu [3] Boční posun jeřábu („crab steering“) Nápravy 3 a 4 jsou natočeny ve stejném směru jako nápravy 1 a 2. Tímto je umožněn pohyb jeřábu do strany bez otáčení. Použitelné maximálně do 20km/h.
obr.č. 2.12 Boční posun jeřábu [3] Nezávislé natáčení zadní nápravy („independent rear axle steering“) Nápravy 3 a 4 jsou nezávisle natáčeny dle potřeby. Nápravy 1 a 2 jsou blokovány v přímé poloze.
obr.č. 2.13 Nezávislé natáčení zadní nápravy [3] Blokování zadních náprav („rear axle steering locked“) Nápravy 3 a 4 jsou natočeny v přímé poloze a zatáčení je možné pouze pomocí náprav 1 a 2
obr.č. 2.14 Nezávislé natáčení zadní nápravy [3]
20
2.8 Rameno kabiny Nejprve jsem přemýšlel nad technickým řešením ramene držícího kabinu. Původní skica obsahovala jednodílné rameno. Toto řešení bylo v praxi nepoužitelné, jelikož by jeřábník neměl možnost opustit kabinu v případě, že by nástavba s výložníkem byla natočena do jiné polohy než přepravní. Další úvahy směřovaly k uchycení kabiny přímo na hlavní výložník. Tuto variantu jsem taktéž zavrhl, neboť neřeší výše zmíněný problém a navíc přináší bezpečnostní rizika při destrukci hlavního výložníku. Nakonec jsem navrhl variantu dvojdílného ramene, které umožňuje přesun kabiny do konvenční polohy jako u současných autojeřábů. Dalším krokem bylo vyřešení technické stránky ramene, především umístění čepů.Z toho vzešly celkem 3 varianty.
varianta 1
varianta 2
varianta 3 obr.č. 2.15 Návrhy řešení ramene
21
První varianta se ukázala jako nepříliš vhodná protože zabírá mnoho prostoru a tím omezuje použití této koncepce na jeřáby bez odděleného motoru jeřábové nástavby. U mého typu autojeřábu by toto nebyl problém, avšak chtěl jsem, aby koncept byl použitelný i pro větší jeřáby. Dalším problémem této varianty jsou poměrně velké nároky na hydrauliku, jelikož rozsah úhlů dílů ramene je poměrně značný. Dalším návrhem proto bylo posunutí čepu ramene do horní části nástavby. To sice vyřešilo problém případného umístění motoru, ale stále neřešilo nároky na hydraulický systém. Proto se finálním řešením stalo umístění čepu do zadní části nástavby. Tím byl snížen i rozsah potřebných úhlů dílů ramene. Rameno je tvořeno konstrukcí ze ohýbaných a poté svařovaných plechů. K horní straně ramen jsou přišroubovány kryty z ohýbaného plechu sloužící k ochraně ramene před vnějšími vlivy a zároveň plní i estetickou funkci. Zvedání ramene zajišťuje hydraulický píst o průměru 150mm a délce 1500mm. Změnu úhlu obou dílů ramen zajišťuje píst o průměru 120mm a délce 2000mm. K naklápění kabiny slouží píst o průměru 100mm a délce 1800mm. K tomuto účelu je mezi ramenem a kabinou vložen další díl se dvěma plastovými vodícími pouzdry, které se posouvají po dvou tyčích z leštěné oceli umístěných v zadní části kabiny Nejmenší píst o průměru 50mm a délce 600mm stranově posouvá kabinu, což umožňuje „zaparkování“ kabiny na nástavbě resp. její zasunutí pod výložník při transportní poloze. Všechny pohyby hydromotorů jsou řízeny počítačem a jeřábník pouze volí, zda kabinu posunout směrem vpřed, či vzhůru případně její náklon. Náklon kabiny směrem vzad je výhodný především při zvedání břemen ve velkých výškách. Počítač zároveň uchovává v paměti Jednoduchý 3D model vlastního jeřábu a případně automaticky omezuje pohyby kabiny tak aby nedošlo nárazu na část vlastního podvozku. V případě, že vysadí motor právě ve chvíli, kdy je kabina zvednuta, může jeřábník pomocí ručních ventilů ovládajících hydromotory kabinu spustit nouzově do nejnižší polohy, kterou daná situace umožňuje a vystoupit.
obr.č. 2.16 Rameno kabiny
obr.č. 2.17 Spojka
22
2.9 Kabina Je stranově posuvná o 300mm a v přepravní poloze je kabina zasunuta částečně pod výložník. To umožňuje, aby byla širší než kabina jeřábníka konvenčního jeřábu, neboť ta je omezena velikostí prostoru mezi výložníkem a bokem jeřábu. Její šířka činí 1200mm. Je tvořena ocelovým rámem, který je zesílen v zadní a spodní části.Ačkoliv by pro optimální výhled bylo ideální, kdyby přední a střešní sklo bylo z jednoho kusu, rozhodl jsem se pro dělené sklo s malou příčkou pro uchycení skel a to z důvodu podstatně nižší ceny takto řešeného skla. Toto omezení výhledu by mohlo být částečně vykompenzováno tím, že kabinu je možné naklonit o 15 stupňů vzad. Toto řešení se ostatně uplatňuje u mnoha autojeřábů na současném trhu.
obr.č. 2.18 sklon kabiny Ve spodní části kabiny se nachází mechanismus otevírání dveří. Pod podlahou je elektricky vysouvaná malá plošina tvaru “L”, která se při jejich otevření vysouvá. Při pracích za zhoršených světelných podmínek je možné využít osvětlovací panel sestavený z vysoce svítivých LED diod, který je umístěn právě v této výsuvné plošině. Tento panel je elektricky naklopitelný, ovládaný z kabiny. V případě, že kabina dosedá do transportní polohy, počítač zamezí automatickému vysouvání. K otevření dveří je použit lichoběžníkový mechanismus a to z důvodu nemožnosti použít běžně užívané posuvné dveře, protože pro pojezdové dráhy není dostatek místa a navíc je horní část kabiny zaoblená. Klasické dveře otvírané směrem vzad nebylo též možné použít z důvodu chybějících vertikálních prvků konstrukce, do kterých by bylo možné umístit panty dveří.
23
obr.č. 2.19 otevírání dveří
obr.č. 2.20 výsuvná plošina
24
Rám zpětného zrcátka je z ohýbané ocelové trubky o průměru 15mm. Jelikož kabina konceptu LYNX je zvednutelná až do výše 8,4 metrů, bylo potřeba zajistit perfektní výhled jeřábníka i směrem dolů. To znemožňuje použití klasického volantu s pevně umístěným sloupkem řízení. Zasklení kabiny až k samotné podlaze vyvolává otázku zda nebude docházet k jeho příliš častému poškození vlivem odletujících kamínků. Odpovědí na tuto otázku je fakt, že dolní okraj předního skla je ve výšce 1100mm, což považuji za dostatečné. V současnosti je u menších jeřábů (u firmy DEMAG kategorie „city“) použita pouze jedna kabina která obsahuje jak volant tak ovládací joystick. Já se rozhodl řízení svěřit pouze joysticku, který normálně slouží k ovládání výložníku. Tento systém řízení byl již použit v prototypu osobního vozu firmou daimler-chrysler. Jelikož je autojeřáb podstatně těžší stroj s pomalejšími reakcemi, myslím, že by tento systém byl použitelný i u mého konceptu. Alternativou by bylo použití odklopné konzole s klasickým volantem. Řízení kol je hydraulické bez mechanické vazby (tzv. „Drive by wire“). Tento způsob se stále častěji objevuje i v sériových vozech. 2.10 Podvozek Je tvořen páteřovým rámem, ke kterému jsou uchyceny moduly hydropneumatického pružení s koly. Kola jsou odpružena nezávisle s maximálním zdvihem tlumení 350mm. Dále jsou před a za koly do rámu integrovány bloky pro stabilizační nohy. V horní části se nachází platforma složená z plechových dílů přišroubovaných k nosné konstrukci. Po bocích jsou do konstrukce začleněny žebříky tvořené svařovaným celkem, který je odsazen od vlastní platformy. Po bocích nad koly jsou přichyceny gumové pláty zabraňující odstřikování nečistot. Guma je zvolena proto, že při natočení kol a jejich propružení dochází ke kontaktu s gumou a pevný materiál by se nenávratně zdeformoval.
25
2.10.1 Úložný prostor háku Po konzultaci ve firmě Demag jsem zjistil, že ačkoli jsou dnešní jeřáby po technické stránce velice propracované, tak například uchycení volně visícího háku k přednímu nárazníku před přepravou jeřábu je prakticky nevyřešené. Současné autojeřáby vozí při přepravě po veřejných komunikacích hák zavěšený na předním nárazníku. K tomuto účelu je na předním nárazníku jeřábu oko z oceli. Toto řešení se mi nezdá nejvhodnější, neboť procedura upevňování háku je poměrně složitá. Jeřábník musí nejprve sklopit výložník do takové polohy, kdy je hák těsně před předním nárazníkem. Poté spustí hák podél předního okna k nárazníku. Jeřábník musí v této chvíli vystoupit z kabiny a jít ručně zaháknout hák za oko na předním nárazníku. Jakmile je toto provedeno, sklopí jeřábník výložník do vodorovné polohy. V praxi není na spouštěný hák příliš vidět, což vede k umísťování různých antének a pomocných zrcátek na vlastní hák případně na nárazník. Já se toto rozhodl vyřešit pomocí úložného prostoru v přední části jeřábu, do kterého jsem umístil naviják s okem. Po skončení prací tak stačí jeřábníkovi spustit výložník do vodorovné polohy poté vytáhnout oko s madlem a zaháknout jej za hák. Po stisknutí tlačítka navíjecí buben sám vtáhne hák do prostoru v přední části. Při uvolňování háku před vlastními jeřábnickými pracemi se po stisknutí tlačítka uvolní lano navijáku a hák se vlastní vahou dostane z úložného prostoru. Výhodou je též lepší výhled při jízdě po veřejných komunikacích, neboť visící hák neomezuje zorné pole řidiče. Vlastní naviják s lanem je skryt v přední části a je zakončen madlem s otvorem pro konec háku.
obr.č. 2.5 transport háku 2.10.2 Světlomety Moderní technologie LED diod se již dostala do takového stádia, že se objevuje u sériových produktů proto i já jsem se rozhodl využít její možnosti. Mezi nejpodstatnější výhody patří vysoká účinnost a možost libovolného tvarování světlometů.
26
2.10.3 Úložný box V zadní části podvozku je umístěn box pro podkládací desky. tyto desky se často umísťují pod stabilizační nohy. Mohou být železné, dřevěné, betonové nebo nověji i plastové. Slouží k zabránění poškození podkladu (např. městské aglomerace) nebo při práci na nezpevněném podkladu. Takto se zmenší tlak na podloží a zabrání jeho zničení nebo převrácení jeřábu důsledkem „propadnutí se“. Desky jsou poměrně velké a vyžadují tudíž dostatek prostoru. Navíc nemohou být uloženy příliš vysoko, kvůli manipulaci s nimi, která se provádí ručně. Při řešení tohoto problému jsem se rozhodl pro umístění sklápěcí skříně pro desky, podkladová dřeva či další příslušenství. Snazšímu zavírání napomáhá mechanismus s pružinou.
obr.č. 2.5 úložný box 2.10.4 Úložný prostor v přední části Na levé straně vedle kabiny se nachází prostor sloužící k uložení veškerého příslušenství jako řetězy, klíny apod. Víko má pneumatický píst obdobný jako u pátých dveří automobilu, který napomáhá snadnému otevírání. Celý celý prostor je dobře přístupný.
obr.č. 2.5 úložný prostor v přední části
27
2.11 Stabilizační nohy Nezbytnou součástí autojeřábu jsou i stabilizační nohy, které poskytují stabilní základnu při jeřábnických pracích. Jejich umístění a konstrukce je dle mého názoru natolik dotažena, že nemá smysl přemýšlet nad jiným umístěním a podobně. Stabilizačni nohy zabírají minimum místa, jejich vysunutí je plně nastavitelné a délka při maximálním vysunutí dostatečná. Je nutné si uvědomit, že extrémní zvětšování stabilizační základny nemá smysl, protože zároveň omezujeme prostor okolo jeřábu a tím i minimální vyložení. Výsuvné díly jsou tvořeny ocelovými profily, které jsou zakončeny hydraulickými písty. Na koncích pístů jsou umístěny ocelové čtvercové desky, na kterých celý jeřáb při zvedání břemene stojí. Tyto desky mají na horní části přivařeny ocelové profily, které umožňují posunout desky mimo osu pístu. Tím je zajištěno, že desky při plně zatažených nohách nepřesahují přes okraj jeřábu.
obr.č. 2.22 stabilizační nohy - vysunuté (vlevo), zasunuté (vpravo) 2.12 Nástavba Při návrhu jsem zachoval polohu osy otáčení jako u jeřábu DEMAG AC80. Délka nástavby je omezena „límcem“ kabiny jelikož při otáčení nesmí dojít k jejich kolizi. Je tvořena dvěma svařovanými nosníky ze silného plechu, spojujícími točnu a výložník. Jejich tvar opticky podporuje funkci, kterou plní – nosná konstrukce. Boční části nástavby jsou tvarovány v souladu s přední částí a navazují na kryt protizávaží. Jsou vyrobeny stejně jako “límec“ kabiny z lisovaných plechů. Pravá strana je vyhrazena hydraulickým rozvodům, případně i samostatnému motoru hydrauliky. Levá část pak slouží jako nádrž paliva pro motor hydrauliky (v případě jeho použití), a částečně jako skladovací prostor. Oba prostory jsou přístupné díky dvěma otevíracím krytům přístupným z platformy.
28
obr.č. 2.23 nástavba 2.13 Výložník Rozměry jsou kompletně převzaty z jeřábu TEREX-DEMAG AC 80-2 včetně výložníkového nástavce příhradové konstrukce umístěného po pravé straně výložníku. Jeho koncová část s kladkou je částečně kryta plastovými deskami, jejichž tvar navazuje na zbytek nástavby. Jednotlivé teleskopické díly jsou uloženy v plastových vodících pouzdrech. Starší řešení vysouvání teleskopického výložníku používala několik pístů, případně jeden píst a sérii lan s kladkami. Dnes je nejmodernějším řešením umístění jezdce do výložníku. Ten zachytí díl výložníku a vyveze ho do určité polohy (zpravidla bývají 3), kde je díl zajištěn proti samovolnému pohybu. Poté se jezdec vrací a zachytí další díl, který opět vysune. Výhodou tohoto řešení je to, že všechny vysunuté části jsou duté a tím i lehčí. Ušetřenou hmotnost je tak možné využít ve prospěch vyšší nosnosti.
2.14 Protizávaží Jako inovace by přicházela v úvahu možnost posouvání závaží směrem od osy jeřábu. Tím by bylo možné použít závaží menší, protože by působilo na větším rameni. Avšak výhody tohoto řešení nevyváží jeho nevýhody a sice zmenšení manipulačního prostoru, který je u jeřábů této konstrukce velice důležitý. Navíc by konstrukce posuvného závaží byla poměrně složitá a tím i drahá. Můj návrh počítá s protizávažím umístěným ve stejné poloze jako u soucasných autojeřábů a sice na zadní části nástavby. Jeho pevná část umístěna na zadní části nástavby a je kryta plechovým dílem pod nímž se nachází vlastní protizávaží. Tento díl je tvarován tak, aby co možná nejplynuleji začlenil vlastní protizávaží do celku. Zadní strana protizávaží nese vylisované logo “LYNX”. V půdoryse je tento díl zaoblen, což zmenšuje
29
potřebný prostor při otáčení nástavby a zároveň logicky odpovídá kruhovému pohybu nástavby. Díky takto řešenému protizávaží a nástavbě působí celý jeřáb mnohem nižší než všechny moje předcházející návrhy. Spodní část pevného protizávaží je rovná aby bylo možné připevnit další desky závaží, které musí být z důvodu snadné manipulace také rovinné. Nedílnou součástí autojeřábu je i hydraulický mechanismus, sloužící k připevnění přídavných závaží, která nemohou být vezena vlastním autojeřábem, z důvodu výše zmíněných legislativních omezení. Já se rozhodl toto zařízení umístit za kabinu autojeřábu, stejně jako u většiny strojů na trhu. Montáž protizávaží pak probíhá následovně: Jednotlivé díly protizávaží jsou dopraveny na nákladním vozidle na pracoviště. Poté je jeřábník zvedne z korby nákladního vozu a položí na hydraulický mechanismus v přední části podvozku. otočí nástavbu o 180°. Výložník teď směřuje směrem vzad a zadní část nástavby s pevným protizávažím se dostane přesně nad hydraulický mechanismus. Ten poté zvedne protizávaží na něho dříve položené a dojde k automatickému upnutí k pevné části protizávaží jeřábu. Počet potřebných kusů protizávaží se liší podle pracovních požadavků. Součástí mechanismu je i konzola s plastovými deskami podpírajícími výložník v transportní poloze.
obr.č. 2.24 Hydraulický upínač protizávaží a podpěrná konzole výložníku
30
3.0 Designérská analýza Po mnoha skicách, kdy jsem se snažil navrhnout celkový tvar jak zaoblenější tak hranatější jsem dospěl k závěru, že bude výhodnější se dále zabývát pouze ostřejšími tvary neboť zaoblené tvary se příliš nehodí k poměrně přísné geometričnosti výložníku. Zároveň by příliš organické díly byly náročné na výrobu a zbytečně by celý jeřáb prodražily. Z dalšího skicování vzešel jeden návrh který jsem považoval ze zajímavý a proto jsem se jím zabýval podrobněji.
obr.č. 3.1 výchozí skica Oproti původní skice jsem spojil nárazník a límec obepínající kabinu do jednoho celku tak, že tvoří tvar připomínající písmeno S. Poté byly oba konce v zadní části spojeny tak, že tvoří prakticky jeden celek kompletně obepínající kabinu, pouze s přerušením v přední části kde je prostor pro ukládání háku. Tvaru přední části, která mi v této fázi připadala zajímavá a zároveň splňovala mnoho funkčních omezení, jsem se snažil uzpůsobit i část nástavby. Dlouhou dobu jsem nemohl najít řešení, které by mne uspokojilo, z části také proto, že jsem v návrhu stále ještě uvažoval sklopnou nebo vysouvací plošinu. To komplikovalo jak proces tvarového návrhu tak i ergonomii nastupování a pohybu po horní platformě podvozku. Dále se celá situace komplikovala nutností prostoru pro protizávaží a také prostoru, který by mohl být využit pro samostatný motor nástavby v případě použití této koncepce i pro jeřáby vyšších nosností. Po přemístění plošiny přímo pod podlahu vlastní kabiny se otevřela cesta k novým možnostem. Z dalšího skicování vzešel návrh, kdy výložník je spojen s točnou pomocí dvou tlustých desek, které jsou v přední části odlehčeny.
31
obr.č. 3.2 skici
32
3.1 “Límec” kabiny Obepíná částečně i motorový prostor z kterého též vystupují výfuky zakončené chromovanými kosodélníkovými koncovkami. Přes výfuky jsou umístěny vstupy sání motoru. Ty tvarově navazují na samotný „límec“ a dodávají přední části velice moderní vzhled. V dolní části pod kabinou jsou do „límce“ integrovány stupačky. Je vyroben z lisovaných plechových částí, které jsou přišroubovány k nosnému rámu. 3.2 Rameno kabiny Nejprve jsem navrhl rameno ve tvaru oblouku což není příliš vhodné z hlediska výroby a zároveň netvoří sladěný celek s výložníkem, který je při pohledu z boku rovný. Další mé myšlenky směřovaliy k zvýraznění ramene, které by bylo tvořeno svařovanou příhradovou konstrukcí a barevně odděleno od celku. Nakonec jsem se rozhodl rameno začlenit do celku a vytvořit ho co možná nejjednodušší. Je tvořeno konstrukcí z ohýbaných a poté svařovaných plechů. K horní straně ramen jsou přišroubovány kryty z ohýbaného plechu sloužící k ochraně ramene před vnějšími vlivy a zároveň plní i estetickou funkci. 3.3 Světlomety Jejich tvar je přísně geometrický, což koresponduje s celkovou tvarovostí jeřábu při pohledu jak zepředu tak zezadu. Zadní světlomety jsem původně navrhl jako dva pruhy. Toto řešení jsem nakonec opustil, neboť působilo až příliš agresivně. Pruhy jsem spojil tak že vytvářejí tvar písmene „U“ otevřeného směrem ke středu jeřábu. Tomuto tvarování jsem uzpůsobil i přední světlomety. Horní část nohy písmene “U” obsahuje oranžově svítící LED diody a slouží jako směrová světla.
obr.č. 3.3 Přední světlomety (vlevo) a zadní světlomety (vpravo)
33
3.4 kryty stabilizačních noh Rozhodl jsem se stabilizační nohy v transportní poloze začlenit do celkového tvarového řešení. Výsledkem jsou velké plastové dílce s výřezy pro samotné nohy, které jsou zakončeny plastovým U profilem takže v zasunutém stavu splynou s deskami podvozku. Obě plochy jsou jednotně zbarveny výstražnými pruhy.
obr.č. 3.4 Stabilizační nohy v transportní (vlevo) a pracovní poloze (vpravo)
3.5 Barevnost a logo Autojeřáby mají dnes rozmanitou barevnost, neboť od výrobce putuje jeřáb k jeho majiteli a provozovateli a ten většinou volí barevné provedení v souladu s firemní barevností. Nezřídka je tak možné se setkat nejen s klasicky žlutými jeřáby, ale i červenými, modrými, bílými apod. Já se u svého konceptu rozhodl pro oranžovo žlutou barvu kapotáže, která je dostatečně výrazná, což je u pracovního stroje vhodné a z možných barevných řešení mi přišla nejzajímavější. Oranžovožlutou barvu doplňuje matná černá použitá na ostatních prvcích. Výstražné pruhy na stabilizačních nohách jsou v černobílé kombinaci. Kabina a interiér jsou taktéž provedeny v tmavém odstínu. Na boky výložníku jsem umístil logo jeřábu “LYNX”. Jedná se o anglický název pro rysa, kočkovitou šelmu. Toto zvíře jsem vybral pro jeho elegantnost a určitou ostrost rysů podobnou i mému návrhu. Logo jsem ještě doplnil o dovětek “advanced crane concept” což je možné přeložit jako “pokročilý koncept jeřábu”. Pro nápis “LYNX” je použito písmo “alexis” a pro dovětek písmo “euromode CE”.
obr.č. 3.5 Logo
34
4.0 Ergonomie 4.1 Kabina Na pravé straně se nachází konzole s joystickem a dalšími ovládacími prvky. Levá loketní opěrka je odklopná směrem vzhůru, což usnadňuje výstup z kabiny. Obě opěrky s ovládacími prvky jsou podélně posuvné, stejně tak jako sadadlo řidiče. Je v ní integrována zbylá část ovládacích prvků a LCD displej zobrazující všechna potřebná data. Délka kabiny u podlahy je 1600mm. Při řízení po veřejných komunikacích by bylo sedadlo řidiče až příliš daleko od předního skla. Z toho důvodu jsou jak sedadlo tak ovládací konzole podélně posuvné a řidič tak může zlepšit výhled posunutím dopředu. Naopak větší délka kabiny poskytuje dostatek pohodlí při jeřábnických pracech. Jeřábník si může pohodlně natáhnout nohy, což je důležité vzhledem k tomu, že mnohdy tráví v kabině mnoho času. Na podlaze jsou dva pedály sloužící jak k ovládání při transportu, tak i při jeřábnických pracích. Klika dveří je umístěna na jejich spodní části z důvodu snadné přístupnosti ze země.
4.0 ERGONOMIE
obr.č. 4.1 ergonomie kabiny 4.2 Stupačky Autojeřáby této koncepce jsou jedny z největších strojů, s jakými se lze na silnicích setkat. Jejich horní platforma je ve výšce okolo 2 metrů a proto je nutné zajistit co nejlepší přístup na ni. Z vlastní zkušenosti po prohlídce jeřábu jsem zjistil, že není problém na platformu vylézt. Komplikace nastávají až při slézání kdy není vidět na schůdky, protože jsou kolmo k zemi a není na stupačky vidět. Rozhodl jsem se v platformě vyrobit částečný výřez, do kterého jsem současně umístil madla. Zároveň vznikne na návrhu
35
4.0 ERGONOMIE
boční členění, které bourá dojem přílišné plochosti boční části. V platformě nad stupačkami jsou umístěna dvě madla usnadňující výstup na plošinu. Po stranách, kde jsou umístěny žebříky jsou plastová madla usnadňující nástup na platformu. Ty jsou integrovány do vlastní platformy tak, aby nenarušovaly vzhled jeřábu.
obr.č. 4.2 boční stupačky s madly Pod kabinou jsou na podvozku dvě stupačky umožňující nástup do kabiny. K Pohodnému nastupování je též možné využít držák zpětného zrcátka, který zároveň slouží jako madlo. V přední části kabiny jsou dvě vertikální madla, která zvyšují bezpečnost jeřábníka vystupujícího z kabiny na platformu. Interiér kabiny je vybaven odpruženým, plně nastavitelným sedadlem.
obr.č. 4.3 stupačky kabiny
36
4.3 Žebřík Další výbavou je žebřík sloužící k nastupování na platformu jeřábu. Ten je v přepravní poloze uchycen v přední části vede kabiny. Jelikož jsou nohy žebříku delší než délka kapoty, jsou částečně zapuštěny do motorového prostoru. Na pracovišti lze žebřík pohodlně stáhnout z kapoty a umístit kdekoli po boku jeřábu podle uvážení operátora. Žebřík se zachycuje za drážky platformy, které zároveň opticky rozdělují její velkou plochu na menší části. Vlastní konstrukce žebříku je tvořena svařovanými obdélníkovými profily z hliníku o rozměrech 90x40mm.
4.0 ERGONOMIE
obr.č. 4.4 žebřík v přepravní (vlevo) a pracovní poloze (vpravo)
37
5.0 Závěr V průběhu seznamování se s problematikou autojeřábů a vlastního procesu navrhování jsem si uvědomil, že jde o značně komplikované téma. Snažil jsem se, aby výsledný návrh byl vyrobitelný a splňoval co možná nejvíce nároků kladených na tuto kategorii strojů.
5.0 ZÁVĚR
Vzhledem ke komplikovanosti tohoto zařízení nebylo možné detailněji propracovat jednotlivé díly. Domnívám se však, že jsem se dostatečně seznámil s touto problematikou a jednotlivé díly respektují v co možná největší míře ergonomické a funkční požadavky. Samotný vzhled jeřábu je též netradiční, což částečně vyplynulo i ze samotné koncepce. Jedním z aspektů, které jsem chtěl při konstrukci dodržet byla i aplikovatelnost mnou navrženého tvarového řešení na konvenční koncepce jeřábů s oddělenou kabinou řidiče a jeřábníka. Domnívám se, že s určitými modifikacemi by bylo možno tohoto poměrně snadno dosáhnout.
38
Výsledné řešení přináší oproti konvenčnímu jeřábu lepší přehled o pracovišti díky možnosti zvednutí kabiny. Další výhodou je možnost osvětlení pracovní plochy z velké výšky díky světlometům umístěným na podlaze kabiny. Co se ergonomie týče, bylo zlepšeno nastupování na platformu nakloněním schůdků a přidáním žebříku , který je možno umístit kdekoli po straně platformy. Dále byl přidán prostor pro příslušenství vedle kabiny a zadní box pro podkladové desky. Podstatně byl též zjednodušen proces ukládání háku do přepravní polohy. To vše bez zhoršení vlastností oproti konvenčním jeřábům na současném trhu.
6.0 Seznam použité literatury [1]
http://www.wikipedia.org
[2]
http://www.lifting-world.co.uk
[3]
http://www.terex-demag.com
[4]
http://www.liebherr.com
[5]
http://www.linkbelt.com
[6]
Lothar Husemann – Krane
[7]
Ing. Petr Maršál – Strojní zařízení modul 01 - Strojní zařízení
[8]
http://www.demag24.de
[9]
http://www.ckd-jeraby.cz
[11] http://www.palfinger.com [12] http://www.gottwald.com [13] http://www.janvanwees.nl/ [14] http://www.cranestodaymagazine.com [15] http://www.kato-works.co.jp [16] http://perso.orange.fr [17] http://www.physik.uni-muenchen.de [18] http://www.habeeb.com
6.0 SEZNAM LITERATURY
[10] http://www.manitowoc.com/
[19] http://arthist.cla.umn.edu [20] http://bdml.stanford.edu [21] http://www.museoscienza.org [22] http://panda.bg.univ.gda.p [23] http://www.bzcranes.cz [24] http://www.jeraby.wz.cz
39
7.0 Přílohy [1] Designérský poster [2] Ergonomický poster [3] Technický poster
1xA1 1xA1 1xA1
[4] Licenční smlouva
1xA4
[5] Model
1:20
7.0 PŘÍLOHY
[6] Dokumentační CD
40
