EXAMENSARBETE
Sammanfattning Detta är en rapport som beskriver hela processen för konstruktionen utav en mätstation för rullmotstånd. Rapporten är uppbyggd med element av Fredy Olssons metod. I rapporten finns också en kort presentation av HGF, företaget som skall tillverka maskinen. Krav och önskemål ställs upp och används i en kriterieviktning från vilken produktförslagen utgår ifrån. Dessa förslag används i en utvärdering för att ta fram ett slutgiltigt produktutkast med ingående komponenter. Lösningar till huvudfunktioner tas fram efter kriterer. Komponentval för samtliga delar utförs, en CAD baserad modell tas fram och en ekonomisk analys ställs upp. FMEA-Analys utförs. Rapporten avslutas med en kort slutsats, kritisk granskning samt förslag till vidare arbete.
Abstract This is a report that describes the entire process of design of a measuring station for rolling resistance. The report is structured with elements of Fredy Olsson's method. The report also includes a brief presentation of HGF, the company that will manufacture the machine. Requirements and preferences are set up and used in a weighting of criteria by which product suggestions are based. These suggestions are used in the evaluation to produce a final draft product. Solutions to major functions are produced by criteria s. Component selection for all components is performed, a CAD-based model is developed and an economic analysis is set up. FMEA analysis is set up. The report ends with a brief summary, critical review and suggestions for further work.
Innehållsförteckning 1. Inledning... 5 1.1 Företagspresentation - Halmstad Gummifabrik HGF... 5 1.2 Syfte och mål... 5 1.3 Metod... 5 2. Produktdefinition och produktundersökning... 6 2.1 Produktdefinition... 6 2.1.1 Produktbeskrivning och användning... 6 2.1.2 Miljö och användare... 6 2.2 Produktundersökning... 6 1. Kriterieuppställning krav (K)... 7 3.1 Funktion... 7 3.2 Omgivning... 7 3.3 Människa... 7 3.4 Ekonomi... 7 3.5 Kriterieviktning... 8 4. Produktförslag... 9 4.1 Första utkast... 9 4.2 Förslagsskissar... 9 4.2.1 Förslag 1... 9... 9 4.2.2 Förslag 2... 10 4.2.3 Förslag 3... 11... 11 4.3 Utvärdering av första utkast... 12... 12 5. Funktionslösningar... 13 5.1 Rullmotstånd... 13 5.2 Deformation... 14 5.3 Slitage... 14 5.4 Värme... 14 6. Produktutkast... 15... 15 7. Komponentval... 16 7.1 Hjultrumma... 16 7.2 Stativ... 16 7.3 Momentgivare... 17 7.4 Skyddsplåt... 17 7.5 Stativhjul... 17 7.6 Lagerboxar... 17 7.7 Motor... 18 7.8.1 Skruv för applikationskraft... 18 7.8.2 Lastcell... 19 7.8.3 Skruv... 19 7.8.4 Lagerhus... 19 7.8.5 Hjulfäste... 19
8. Ekonomisk analys.... 19 8.1 Stativ... 20 8.2 Stativhjul... 20 8.3 Motor... 20 8.4 Lagerboxar... 20 8.5 Lastcell... 20 8.6 Remskivor... 20 8.7 Rem... 21 8.8 Skyddsplåt... 21 8.9 Skruv för kraftapplikation... 21 8.10 Slutgiltig kostnad... 22 9. FMEA-Analys... 23 10. Slutsats... 24 11. Referenser... 25 12. Ritningar... 25
1. Inledning 1.1 Företagspresentation - Halmstad Gummifabrik HGF HGF är ett framgångsrikt tillväxtföretag inom gummitillverkning, med en tydlig målsättning att fortsätta växa med en god lönsamhet. De levererar tekniskt formgods i elastomera material till branscherna anläggning, fordon, energi och industri. HGF har sitt huvudkontor i Halmstad, beläget mellan Göteborg och Malmö på den svenska västkusten. HGF har även valt att expandera företaget mot en ny marknad där de kommer att tillverka gummihjul med olika rullmotstånd. 1.2 Syfte och mål Målet med projektet är att konstruera en maskin som kan mäta rullmotstånd, deformation, värme och slitage för att på så vis kunna ge varje hjul en bestämd tröghetsenhet (1-4). 1.3 Metod Vi kommer att utföra detta arbete efter en metod framtagen av Fredy Olsson s principkonstruktion och primärkonstruktion.
2. Produktdefinition och produktundersökning 2.1 Produktdefinition 2.1.1 Produktbeskrivning och användning På uppdrag från Halmstad Gummi Fabrik ska en maskin konstrueras för att mäta rullmotstånd, värmeutveckling, deformation och slitage på gummihjul. Idag finns det ingen definerad metod för att mäta rullmotstånd för mindre gummihjul. Genom att ta fram utrustning för detta, hoppas HGF att de ska bli mer konkurrenskraftiga på marknaden för sådana hjul. Vad det gäller rullskidhjul så finns det i dagsläget så finns det ingen liknande utrustning, utan rullmotståndet uppskattas av tillverkaren, och får en klassning mellan 1-4 där klass 1 hjulen rullar lättast, detta är något som HGF vill ändra på och helt enkelt kunna mäta rullmotståndet för att på så vis ta fram de bästa gummiblandningarna och för att kunna garantera att hjulets klass stämmer. Denna produkt kan förändra tävlingsscenen och att göra den rättvis, då alla åkare kommer att ha samma rullmotstånd i sina hjul. Produkten kommer också kunna användas för definition av hjul t.ex. inlines, skateboard och egentligen alla andra marknader där man ser ett behov utav att mäta rullmotstånd på mindre gummihjul. 2.1.2 Miljö och användare Maskinen kommer att användas inomhus i Halmstad Gummifabriks lokaler och användas av anställda maskinoperatörer hos företaget. 2.2 Produktundersökning Det finns liknande maskiner inom bland annat bilindustrin men i dagsläget finns ingen liknande maskin för mindre gummihjul. Rullmotståndet i hjulen uppskattas av tillverkaren vilket ger ett resultat baserat på vad en person tycker, det betyder att det är ett resultat som ej är pålitligt. Detta eftersom olika testpersoner kan ha olika uppfattning. Hjulen testas även på olika underlag, detta kan bidra till skiftande resultat och testpersonens vikt samt åkstil kan ge olika uppfattningar. Det som behövs är en maskin som ger ett exakt värde varje gång och det är målet med projektet.
1. Kriterieuppställning krav (K) 3.1 Funktion K1. Kunna mäta rullmotstånd i hjulen. K2. Stabil konstruktion. K3. Kunna mäta deformation. K4. Kunna mäta slitage. K5. Kunna mäta värmen i hjulen. 3.2 Omgivning K6. Lågljudd K7. Maskinen skall ta lite plats K8. Enkel att flytta på 3.3 Människa K9. Låg skaderisk 3.4 Ekonomi K.10. Ekonomiskt försvarbar konstruktion
3.5 Kriterieviktning För att få en överblick av vilka krav som är viktigast i arbetet med konstruktionen gjordes en viktning av kraven med hjälp av väl beprövad metod för kriterieviktningar. Detta kan man se enligt bilden nedan. De viktigaste kraven var som förväntat maskinens huvuduppgifter, dvs. att den kan mäta rullmotstånd, slitage, deformation och värme i hjulen.
4. Produktförslag 4.1 Första utkast Förslag på uppbyggnad av maskinen togs fram och skissades ned på papper. Det kom fram tre olika förslag på hur maskinen skulle se ut. Dessa kan man se nedan. 4.2 Förslagsskissar 4.2.1 Förslag 1 Som man kan se på skissen så drivs en större hjultrumma i mitten av en motor som sitter på vänstra sidan. Uppifrån finns ett ställdon eller dylikt med hjulen fastmonterade som trycker med en viss kraft. Detta kommer att ge upphov till olika moment med olika klasser av hjul, det är här man kommer se vilket rullmotstånd som finns med hjälp av en momentgivare.
4.2.2 Förslag 2 Förslag 2 går ut på samma teknik men ser lite annorlunda ut då ställdonet sitter i höjd med det friktionsfria hjulet på dess högra sida. Detta för att det blir en billigare och stabilare lösning. Vi har även funderat på att använda oss av en manuell skruvfunktion med lastcell för att mäta upp trycket.
4.2.3 Förslag 3 I detta förslag har motorn placerats under arbetsytan för att på så vis minska skaderiskerna, värt att tänka på är dock att alla kritiska delar av maskinen kommer byggas undan med skyddsplåtar.
4.3 Utvärdering av första utkast För att se vilket förslag som var det bästa gjordes en viktning mot kriterierna, detta genom en befintlig teknik där man viktar förslagen mot de krav man behöver ta hänsyn till och multiplicerar sedan viktningen med summan från kravens kriterieviktning. Dvs. 2*15 för förslag 1 mot krav 2. Detta visade på att det tredje förslaget står sig bäst emot kraven och blir därmed det primära förslaget.
5. Funktionslösningar 5.1 Rullmotstånd Från början fanns lite olika idéer på hur man skulle kunna lösa detta problemet. Först och främst så utfördes ett praktiskt test i sammarbete med HGF som monterade ihop båda skidorna bredvid varandra och bytte ut framhjulen mot specialtillverkade aluminiumhjul. Sedan placerades dessa som man kan se på bilden nedan på ett motionsband där bakhjulen fick rulla mot rullbandet. Vi testade att belasta skidorna med vikter från 20kg-100kg och testade rullmotståndet med hjälp av en våg för att se vilken vikt som genererades av de olika hastigheterna 3km/h, 5km/h, 7km/h och 9km/h. Detta för att få fram skillnader man sedan skulle kunna jämföra med de skillnader som skulle uppstå i maskinen. Samt få basis för diverse uträkningar så som friktion mm. då det är väldigt avgörande för att beräkna effekt och moment. För att få en bättre överblick om vad friktion innebär kan man läsa artikeln om friktion som finns i referenserna i slutet av rapporten. Detta leder oss till de idéer vi hade för att mäta upp rullmotståndet med hjälp av maskinen. Första idén var att man skulle ha en momentgivare som kunde visa vilket vridmoment som uppstod för att driva det hjul som man trycker gummihjulet emot. Då man trycker gummihjulen som har olika trögheter emot de hjul som drivs av motorn kommer olika värden av vridmoment uppstå. På så vis kan man se vilket rullmotstånd det är i hjulen. Andra idén var att ha en lastcell under ena foten på motorn så man kunde se hur mycket motorn behövde arbeta och på så sätt se vilket rullmotstånd det är i hjulen. Detta kändes dock som en ganska dålig lösning. Tredje förslaget var att mäta hur mycket motorn fick arbeta via att mäta elförbrukningen. Den klart bästa lösningen ansågs vara att använda en momentgivare
5.2 Deformation För att se hur mycket gummit i hjulet deformeras kommer en mätskala på axeln användas för att se hur mycket hjulet deformeras efter första kontakt med hjultrumman tills dess att önskad belastning är applicerad. 5.3 Slitage För att mäta slitaget på hjulen kommer de vägas innan testet utförs och efter det är klart för att se viktskillnad. Hjulet kommer även snedställas mot hjultrumman vid detta test för att ge upphov till mer slitage. För att kunna snedställa hjulet har det konstruerats ett fäste på skruvarmen där man kan snedställa den i olika vinklar. Detta kan man se på bilden nedan. Detta test görs för att man ska kunna få till så slitstarka gummiblandningar som möjligt. 5.4 Värme För att mäta värmen kommer en IR-mätare att användas, denna kommer monteras fast på lämplig plats.
6. Produktutkast Maskinen kan delas upp i dessa olika delar och behandling enligt följande
7. Komponentval 7.1 Hjultrumma Materialvalet föll på aluminium då det har en låg vikt samt låg friktion. Diametern på hjultrumman kommer att vara 318mm i diameter då får vi en lämplig omkrets på en meter. Hjulet kommer att tillverkas av HGF själva. En ritning för hjultrumman kommer att finnas i bilagorna tillsammans med de resterande ritningarna. 7.2 Stativ Stativet kommer bestå av fyrkantsprofiler. En urvalsmatris gjordes för att få fram vilket material som passar oss bäst till kraven för ekonomi, hållfasthet mm. Enligt bilden nedan. Storleken på profilerna kommer att vara 40x40x3mm i materialet konstruktionsstål.
7.3 Momentgivare För att bestämma vilken momentgivare som skulle användas så räknades det på vilket maxmoment som skulle komma att uppstå (uträkningar för detta finns vid komponentval av motor). Det högsta vridmomentet som kommer att uppstå är ca 7.4Nm och därför valdes en momentgivare som kan ta upp till 17.5 Nm då steget under på 7.5 Nm blir för nära gränsen. Till momentgivaren tillkommer även displayfunktion. 7.4 Skyddsplåt För att skydda maskinoperatören när arbete vid maskinen utförs så har vi sett till att skydda drevet mellan motorn och hjultrumman genom att klä in stativet i en 2mm tjock plåt i materialet stål. 7.5 Stativhjul Det behövs här hjul som har en bromsfunktion som ser till att maskinen står stilla men vid behov kan man lossa på bromsarna och rulla maskinen. Det letades runt efter lämpliga hjul som skulle tåla belastningen och till ett relativt lågt pris. Valet föll på hjul av märket Guitel som tål en belastning av 250kg per hjul och då maskinen väger knappa 100kg funkar dem bra. 7.6 Lagerboxar Det kommer behövas tre lagerboxar för axeln vid hjulet som drivs av motorn. Dessa skall ha en diameter på 30mm och kommer från företaget Internordic. Modellen heter KP006.
7.7 Motor Motorn var väl egentligen den mest omfattande komponenten att välja ut, då det innebar en del uträkningar för att välja ut en lämplig motor till ett bra pris. De beräkningar som gjordes för att ta reda på vilken effekt motorn skulle ha bifogas nedan. Här ser man även uträkningar för varvtal och moment. Efter att effekten för motorn räknats ut togs det kontakt med ett lokalt företag som säljer elmotorer och fick en lista över deras elmotorer. Valet föll här blev en motor på 550 watt för att vara på säkra sidan då 370 watt som var steget under blir för lite effekt. Motorn är en tre-fas el motor 4-poler och har ett varvtal på 1370. 7.8.1 Skruv för applikationskraft Denna skruv med tillhörande lastcell, lagerhus och fäste för gummihjul har konstruerats på egen hand.
7.8.2 Lastcell Det behöves en lastcell som klarar 1000N då det är maxkraften men för att inte ligga i ytterkant så valdes en lastcell som klarar 2000N då det även var samma pris som 1000N. Lastcellen kommer att kopplas till samma display som momentgivaren. 7.8.3 Trapetsskruv Skruven som kommer att användas har en diameter på 20mm och en längd 300mm. 7.8.4 Lagerhus Lagerhusets kostnad bortses från då materialet finns hos HGF och allt som skall göras är att borra ett hål och fästa ett nylonlager som även det borrats ur i en nylonstav. 7.8.5 Hjulfäste Vid fästet av gummihjulet har det setts till att man enkelt kan byta ut hjul genom en bra konstruktion enligt bilden vid förslagslösningarna tidigare i rapporten. 7.9 Remdrift Remmen är på 780mm och skivorna har 20 kontra 40 taggar var då vi vill ha en utväxlingsfaktor på 2. 836rpm på motorn och 418rpm på hjultrumman. Motorn kommer alltså inte att gå på maxeffekt utan kommer att styras av en frekvensomriktare. 8. Ekonomisk analys. Efter att ha valt ut alla komponenter var det dags att se över lite mer noggrant vilka priser det handlat om och vilken slutsumma vi kommer hamna på för hela maskinen.
8.1 Stativ Stativet kommer ju bestå av 40x40x3mm fyrkantsprofiler och vi kollade sedan upp pris och hur många meter vi behövde. Detta kan man se på bilden nedan. Materialet kommer köpas hos företaget BE Group i Halmstad. 8.2 Stativhjul Hjulen till stativet är av märket av märket Guitel och kostar 87kr/st. Der skall vara 4st av dessa vilket resulterar i ett totalpris på 348kr. 8.3 Motor Motorn kommer att vara utav märket Busck och ha en effekt på 550 watt, priset för motorn ligger på 1370r plus frekvensstyrningskostnader på ca. 4193kr. Detta blir sammanlagt en motorkostnad på 5563kr. 8.4 Lagerboxar Det behövs tre lagerboxar och st. priset ligger på 698.52Kr så totalkostnaden för lagerboxarna blir 2095kr. Lagerboxarnas prislista kommer från företaget Internordic. 8.5 Lastcell Den lastcell som kommer att användas är från företaget Vetek. Deras pris på denna lastcell är 2180Kr 8.6 Remskivor Det behövs två remskivor, en till motorn och en till drivet av hjultrumman. Den lilla skivan som skall sitta vid motoraxeln kostar 203kr och den större vid hjultrumman kostar 288kr. Totalpriset för dessa skivor blir alltså 391kr.
8.7 Rem Remmen kostar 392kr. Remmens prisinformation kommer även den från företaget Aratron. 8.8 Skyddsplåt Skyddsplåten är 2mm tjock och vi behöver sammanlagt 1.1m2 och det minsta man kunde köpa in hos företaget BE group var ett ark om 2000x1000x2 och har ett pris på 412,80kr. 8.9 Skruv för kraftapplikation Då denna del av maskinen är mestadels konstruerad på egen hand har der valts att inte ta med kostnaderna för denna i ekonomianalysen, dock är själva trapetsskruven en standardkomponent och kostar 360kr hos Maskindelen.se 8.10 Momentgivare Momentgivaren tillsammans med displayfunktion kommer att kosta 14500kr hos företaget NTCE.
8.11 Slutgiltig kostnad Den slutgiltiga totalsumman hamnade som man ser enligt bilden på 26 762,63kr.
9. FMEA-Analys Målet var självklart att konstruera en så felfri maskin som möjligt. Men trots detta är det alltid bäst att göra en FMEA analys och tänka efter ordentligt vad som kan gå fel. FMEA analysen på bilden nedan.
10. Slutsats Projektet har nått fram till en slutprodukt som uppfyller de mål och kriterier som ställdes upp. Det absolut viktigaste i arbetet med att konstruera denna maskin var att kunna mäta rullmotstånd, slitage, deformation och värme i hjulen. Dessa viktiga krav är alla uppfyllda och konstruktionen är således klar. 10.1.1 Kritisk granskning och förslag till fortsatt arbete Det som fortfarande kan anses som kritiskt för konstruktionen är diverse skyddskåpor vid kritiska områden som den snurrande hjultrumman. Detta är något som HGF själva kommer att bedöma då maskinen är tillverkad och bearbeta utefter färdig konstruktion. Samma sak gäller med CE-märkningen.
11 Referenser [1] F. Olsson, Principkonstruktion och primärkonstruktion, Lund: Lunds Tekniska Högskola, 1995. [2] Solid Components [Online] Available: www.solidcomponents.com [3] Rolling restistance [Online], Available: http://www.schwalbetires.com/tech_info/rolling_resistance [4] CE-Märkning [Online], Available: http://www.cemarkingnordic.se/pdf/swedish/vad_ar_cemarkning.pdf [5] Maskinelement, Karl-Olof Olsson och Liber AB 2006. ISBN 91-47-05273-8. [6] Halmstad gummifabrik, Halmstad. Available online: www.hgf.se [7] Vad är friktion? (Artikel) Aviable online: http://illvet.se/fraga-oss/vad-ar-friktion
12 Ritningar Sammanställning
A - Stativ
B Skruv
C Lagerhus
D Lagerhus
E Hjultrumma/drivet F Axel